CC BY
99
УДК 621.928.93
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ОЧИСТКИ ВОЗДУШНЫХ ПОТОКОВ ОТ МЕЛКОДИСПЕРСНОЙ ПЫЛИ В ЦЕНТРОБЕЖНО-ИНЕРЦИОННОМ АППАРАТЕ ПЫЛЕУЛАВЛИВАНИЯ
С.З. Калаева, К.М. Муратова, Я.В. Чистяков
Показана актуальность разработки высокоэффективных пылеуловителей для мелкодисперсной пыли (менее 10 мкм). Теоретически и экспериментально показано, что в цен-тробежно-инерционном аппарате пылеулавливания процесс сепарации происходит в трех последовательно работающих зонах: зоне закрутки воздушного потока; зоне концентрации пыли на стенках пылеуловителя под действием центробежных сил; зоне инерционного вывода мелкодисперсных частиц при резком развороте воздушного потока. Вычислительными и натурными экспериментами установлена возможность использования центробежно-инерционных аппаратов пылеулавливания для классификации улавливаемой пыли по фракциям.
Ключевые слова: мелкодисперсная пыль, центробежно-инерционный пылеуловитель, классификация пыли, защита биосферы.
Одной из наиболее важных экологических проблем является загрязнение атмосферы пылевыми и аэрозольными выбросами предприятий химической, строительной, горнодобывающей, машиностроительной и других отраслей промышленности. Несмотря на то, что в результате деятельности Европейской экономической комиссии организации объединённых наций (ЕЭК ООН) качество атмосферного воздуха в Европе за последние 15-20 лет значительно улучшилось, защита воздушного бассейна от загрязнений природного и антропогенного происхождения, особенно мелкодисперсной пылью, является по прежнему весьма актуальной задачей. Имеются убедительные доказательства того, что нынешние уровни загрязнения воздуха по прежнему представляют значительную угрозу для окружающей среды, технике и здоровью человека [1, 2].
Мелкодисперсная пыль (РМ) может находиться в атмосферном воздухе в течение многих дней и недель и, соответственно, подвергаться трансграничному переносу по воздуху на большие расстояния. Установлено, что РМ - это смесь, физические и химические характеристики которой меняются в зависимости от местонахождения. К наиболее распространенным химическим компонентам РМ относятся сульфаты, нитраты, аммиак, другие неорганические ионы, органический и элементарный углерод, минералы земной коры, тяжелые металлы (в том числе ванадий, кадмий, медь, никель и цинк), полициклические ароматические углеводороды, а также встречаются биологические компоненты.
Так как атмосферная пыль и аэрозоли могут быстро переноситься на большие расстояния, а транспортный механизм и последующие экологические последствия недостаточно изучены, в мире были проведены исследования, в которых представлены результаты миграции и воздействия на окружающую
среду мелкодисперсных частиц тяжелых металлов, металлоидов пыли и аэрозолей [3-7].
Авторами работ [8-9] показано влияние тяжелых металлов, содержащихся в запыленном воздухе, образующегося в ходе переработки отходов электронной техники на заводах Китая и их влияние на здоровье окружающего населения. В ходе исследования [8] подтверждено негативное влияние свинца и меди, находящиеся в промышленных выбросах и представляющих серьезный риск для здоровья работников и жителей Гуйю, особенно для детей. В ходе исследования [9, 10] авторами был сделан вывод о том, что наличие тяжелых металлов в загрязненном мелкодисперсной пылью воздухе увеличивает риск развития рака населения.
Особенно необходимо обратить внимание на воздействие на человека и биосферу токсичных тяжелых металлов в загрязненной пыли таких как цинк, свинец, марганец, медь, никель, хром, кобальт, кадмий и их тенденций к биоаккумуляции, так как они были зафиксированы не только в пыли сельских, городских и промышленных районах, но и в волосах, ногтях и сыворотке крови жителей Пенджаба в Пакистане. Результаты исследований убедительно показывают, что воздействие этой пыли является основным маршрутом поступления в организм человека этих тяжелых металлов [11]. Аналогичные результаты и уровни загрязнений получены в промышленных районах Австралии [12] и Китая [13]. Всё это, как считают ученые, самым губительным образом сказывается в первую очередь на состоянии экологии на нашей планете со всеми вытекающими отсюда для человека, техники и биосферы последствиями.
Согласно данным ВОЗ в 2010 г. на долю загрязнения атмосферного воздуха, выраженного в зафиксированной годовой концентрации РМ25 пришлось 3,1 млн. случаев смерти [14]. Наконец, на проблему мелкодисперсной пыли обратило внимание и правительство РФ и в 2010 г. постановлением Главного государственного санитарного врача РФ от 19.04.2010 № 26 введено в действие Дополнение № 8 к ГН 2.1.6.1338-03 «Предельно допустимые концентрации (ПДК) загрязняющих веществ в атмосферном воздухе населенных мест», согласно которого определены ПДК взвешенных частиц РМ10 (0,3 мг/м ) и РМ2 5 (0,16 мг/м ). С вводом в действие указанного Дополнения № 8 определена необходимость обеспечить качество атмосферного воздуха населенных мест по таким показателям, как взвешенные частицы РМ10 и РМ25.
Результаты натурных научных исследований как в России, так и в Европе убедительно указывают на наличие связи между хронической экспозицией РМ2,5 и показателями смертности от сердечно-сосудистых заболеваний и рака легких, при этом эта связь наблюдается при любой концентрации РМ. Причем установлено, что снижение уровней загрязнения воздуха взвешенными частицами в результате непрерывного внедрения высокоэффективных пылеулавливающих аппаратов для улавливания мелкодисперсных взвешенных частиц положительно сказывается на здоровье населения в обследуемых районах [15]. Эти положительные эффекты можно
наблюдать практически при любом снижении концентрации РМ. Фактических данных, свидетельствующих о наличии безопасного уровня экспозиции или порогового уровня, ниже которого не наступают никакие последствия для здоровья, нет [16].
Кроме значительного вреда здоровью человека и биосферы загрязнение воздушной среды мелкодисперсной пылью наносит огромный материальный ущерб и экономике, обусловленный не только ускоренным разрушением двигателей воздушной и наземной технике, строительных материалов, металлов, резины, тканей, бумаги, красок и т. п.
В связи с тем, что практически на всех предприятиях в основном используется замкнутый цикл производства, то ни одно предприятие не минует выбросов в атмосферу антропогенных мелкодисперсных пылей и аэрозолей. Авторы считают, что все вышеописанное является важным стимулом для разработки и внедрения в промышленность высокоэф-фективных пылеулавливающих технологий и аппаратов.
В начале двухтысячных годов разработан и создан пылеуловитель, совмещающий в себе принципы центробежной и инерционной сепарации пыли в одном аппарате и работающий при скоростях запыленного газа в 4-5 раз более высоких, чем в широко распространенных циклонах [17-21]. Такое сочетание, по мнению авторов, позволяет значительно повысить степень улавливания мелкодисперсных частиц из потоков очистки воздуха аспирационных систем промышленных предприятий и дробильно-сортировочных комплексов карьеров за счет увеличения центробежных и инерционных сил в рабочих элементах пылеуловителя, что предполагает общее повышение эффективности пылеулавливания.
Проведенные впоследствии лабораторные и опытные работы [22-25] позволили теоретически и экспериментально установить, что в центробежно-инерционном пылеуловителе (ЦИП) процесс отделения пыли происходит в результате взаимодействия в трех разных рабочих зонах: I - закрутка газопылевого потока; II - концентрирование пыли и формирование слоя твердой фазы на стенке корпуса под действием центробежной силы; III - вывод частиц из сепа-рационной зоны за счет отставания более инерционных частиц мелкодисперсных твердых частиц или конденсированной фазы (К-фазы) от газа при развороте газового потока (рис. 1) на 180о.
Рис. 1. Схема пылеуловителя ЦИП: I - зона закручивания потока, II - зона формирования слоя твердой фазы, III - вывод твердых частиц из сепарационной зоны
Исследовалось влияние размера экрана (поз. 1), установленного в центробежно-инерционном пылеуловителе под завихрителем (поз. 2), на эффективность очистки газового потока. Был проведен ряд опытов, в ходе которых установлена оптимальная высота экрана.
Испытания пылеуловителя проводились на пыли монодисперсного состава синтетического моющего средства (5 = 15 мкм, р = 500 кг/м), концентрация в газовом потоке составляла 2,5 г/м3, скорость газового потока находилась в пределах 16-17 м/с и полидисперсного состава пыли железооксидного пигмента (медийный размер частиц - 21,69 мкм, р = 3170
33
кг/м , начальная концентрация пыли была в пределах 0,78-1,2 г/м , скорость газового потока - в пределах 10-11 м/с). Высота экрана, при проведении опытов изменялась в диапазоне от 50 до 250 мм, диаметр корпуса аппарата составлял 350 мм.
Согласно результатам опытов была установлена оптимальная высота экрана -175 мм, что соответствует соотношению высоты экрана к диаметру корпуса 0,5, при этом наблюдалась наиболее высокая эффективность разделения пылевоздушной смеси - 98,6 % по пыли синтетического моющего средства и 97,3 % по пыли железооксидного пигмента. При длине экрана меньше этой величины или превышающей ее наблюдается снижение эффективности очистки.
При дальнейших испытаниях на других материалах и при других диаметрах аппаратов, это соотношение сохранило свое значение [22, 24, 25].
Представленные выше и опубликованные экспериментальные данные позволили сформулировать математическую модель течения газа в центробеж-но-инерционном сепараторе с учетом двухфазности газодинамического потока, создать прикладную программу и провести вычислительные эксперименты по
исследованию протекающих процессов. За основу математической модели были взяты разработки, опубликованные в работах [20, 26].
С использованием модернизированной математической модели и дополнительных натурных испытаний удалось экспериментально и теоретически подтвердить не только адекватность разработанной математической модели и работоспособность программно-вычислительного комплекса, но и уточнить некоторые аспекты физической модели процесса сепарации полидисперсной пыли в пылеуловителях-классификаторах [22-25]. Опыт использования рассмотренного программного комплекса показал его большую эффективность. При этом обеспечивается выбор основных технолого-конструктивных параметров, сокращаются сроки и стоимость разработки новых и модернизации существующих пылеулавливающих систем, а также, что немаловажно, сокращается объем трудоемких и дорогих натурных испытаний.
На первом этапе была проведена серия вычислительных экспериментов, позволяющая определить основные конструктивные параметры пылеуловителя с измененной конструкцией закручивающего устройства и с возможностью регуляции соотношения величин центробежных и инерционных сил. Пылеуловитель был спроектирован, изготовлен, смонтирован и введен в эксплуатацию на одном из заводов г. Ярославля. В качестве объекта исследования был взят мелкодисперсный железооксидный отход из электрофильтров Череповецкого металлургического завода, дисперсный состав которого был получен на анализаторе Laser Scattering Particle Size Distribution Analyzer LA-950 фирмы «HORIBA» (рис. 2).
HHPIRA Laser Scattering Particle Size Distribution Analyzer LA-950
01ате{ефт)
Рис. 2. Дисперсный состав железооксидного пигмента: q (%) - плотность распределения частиц по размеру; иМв^Ьв (%) - размер ниже номинального
Было установлено, что основное содержание частиц менее 10 мкм составляет около 54,2 % от общей массы пробы, при этом медианный размер (ин-
тегральный эквивалент диаметров частиц к 50 %) составил 8,5 мкм, а средний размер - 28,7 мкм. Как видно из результатов анализа, железооксидный отход представляет собой полидисперсную смесь, состоящую в основном из мелкодисперсных частиц менее 10 мкм, то есть используемый железооксидный отход состоит в основном из частиц, представляющих в атмосфере и воздухе промышленных предприятий наибольшую опасность [27].
Исходя из этого, в вычислительных экспериментах в качестве переменной величины были приняты размеры сепарируемой пыли 2, 5, 10 и для сравнения 50 мкм, а в качестве постоянной величины приняты: угловая скорость 2 об/с, линейная скорость 10 м/с, концентрация сепарируемой пыли 0,01 кг/м и плотность пыли 1500 кг/м . На рис. 3 дана визуализация процесса разделения фракций 2 (а), 5(б), 10 (в) и 50 (г) мкм пыли при угловой скорости вращения потока в зоне разделения 2 об/с.
а
б
в
Концентрация кг/кибм
3.0СЮ0е-02
2 4010е-02
1.8020е-02
1.203Ое-О2
Ь0400е-03
5.0000е-05
г
Рис. 3. Влияние диаметра частиц на визуализацию процесса разделения фракций 2 (а), 5(б), 10 (в) и 50 (г) мкм мелкодисперсной пыли в центробежно-инерционном пылеуловителе, поз. б, в, г изображены усеченными по осевой линии
Анализ полученных результатов показывает, что при движении во вращающемся потоке частицы наиболее крупной фракции под действием превалирующих центробежных сил, в отличие от более мелких частиц, прижимаются к стенке уже на начальном участке после входа в полость сепаратора (в рабочей
зоне II рис. 1) и далее движутся в своей основной массе вдоль стенки, попадая в приемный бункер для сбора крупной фракции пыли (рис. 3 г). При этом более мелкие частицы, испытывая меньшие центробежные силы по сравнению с газодинамическими, увлекаются потоком и попадают во второй приемный бункер для сбора мелких фракций.
Проведенные вычислительные эксперименты подтверждают возможность использования конструкции центробежно-инерционного сепаратора с боковым отбором частиц К-фазы для выделения из потока наиболее тяжелых фракций. При этом параметры отбираемых частиц (размер или плотность), определяющие границу разделения фракций, зависят от соотношения между скоростями вращения потока и его продольного движения вдоль стенки корпуса сепаратора. С помощью вычислительного эксперимента, варьируя скоростью вращения, можно определить ее минимальное значение, необходимое для отбора требуемой фракции с заданной степенью очистки.
Адекватность численных экспериментов была подтверждена исследованиями, проведенными на опытной установке, принципиальная схема которой представлена на рис. 4.
дхоЗ запыленного газа
Рис. 4. Принципиальная схема центробежно-инерционного пылеуловителя: 1 - корпус аппарата; 2 - завихрительноеустройство;
3 - закручивающие лопатки; 4 - экран; 5 - патрубок вывода очищенного воздуха; 6 - 8 - приемные бункеры для сбора пыли
Подача загрязненного воздуха производится сверху пылеуловителя через завихритель специальной конструкции, напоминающей «Беличье колесо».
Продолжительность опыта составляла ~ 30 мин; расход воздуха находился в пределах 1500-3200 м /час; дисперсность продуктов ~ 1-150 мкм. Дисперсный состав пылевых фракций определялся также микроскопическим методом исследования «Определение дисперсного состава порошков
микроскопическим методом» [28] и ГОСТ 23402-78 с помощью компьютерной программы ScopePhoto 3.0 на микроскопе Levenhuk 50LNG с цифровой камерой Levenhuk 030 NG. Калибровка программы проводилась объектом-микрометром ЛОМО (ГОСТ 7513-56).
В таблице представлены результаты экспериментов.
Из результатов экспериментов видна зависимость эффективности пылеулавливания от концентрации пыли. Установлено, что чем меньше концентрация пыли тем больше эффективность центробежно-инерцион-ного пылеуловителя, например, в опытах 1-3 эффективность составляет в среднем 92 %, а эффективность остальных опытов значительно меньше ( ~ 60 %), однако если сравнивать её с эффективностью циклонов именно для пыли <10-20 мкм, то надо отметить, что циклоны или вовсе не улавливают её (<10 мкм) или улавливают (10-20 мкм) с эффективностью 20-40 % [29], практически такая же ситуация и у зарубежных аналогов [30-31].
Технические параметры экспериментов
Номер Скорость воз- Производи- Запылён- Общая эффек-
опыта духа на входе тельность ус- ность тивность
в аппарат VEx, м/с тановки Q, 3/ м /ч Свх, г/м3 очистки ц, %
1* 7,7 2159,2 3,1 85,7
2* 11,0 3084,5 4,4 93,8
3* 9,2 2580,0 9,3 86,9
4 11,3 3168,6 12,6 56,6
5 5,6 1570,3 21,8 60,8
6 5,5 1542,3 22,2 55,8
Примечание: *- в качестве пыли использовали ферритовый порошок
Данные результаты позволяют утверждать, что в ряде случаев можно использовать разработанный центробежно-инерционный пылеуловитель в качестве второй ступени очистки к уже имеющейся на предприятиях технологической схеме пылеулавливания, укомплектованной циклонами.
Список литературы
1. Clearing the Air: A Review of the Effects of Particulate Matter Air Pollution on Human Health / Jonathan O. Anderson, Josef G. Thundiyil, Andrew Stolbach // Journal of Medical Toxicology. 2012. Vol. 8. № 2. Р. 166-175.
2. Воздействие взвешенных частиц на здоровье // Всемирная организация здравоохранения, 2013. URL: http://www.euro.who. int/data/assets/ pdf_file/0007/189052/Health-effects-of-particulate-matter-final-Rus.pdf (дата обращения: 28.03.2016).
3. Concentrations and Estimated Soot Content of PMi, PM25, and PMi0 in a Subarctic Urban Atmosphere / Marko J. Vallius, Juhani Ruuskanen, Aadu Mirme, Juha Pekkanen // Environmental science & Technology. 2000. Vol. 34. № 10. P. 1919-1925.
4. Possible mechanisms of the cardiovascular effects of inhaled particles: systemic translocation and prothrombotic effects / Abderrahim Nemmar, Marc F. Hoylaerts, Peter H.M. Hoet, Benoit Nemery // Toxicology Letters. 2004. Vol. 149. № 1-3. P. 243-253.
5. A European aerosol phenomenology - 3: Physical and chemical characteristics of particulate matter from 60 rural, urban, and kerbside sites across Europe / J.-P. Putaud, R. Van Dingenen, A. Alastuey et al. // Atmospheric Environment. 2010. Vol. 44. № 10. P. 1308-1320.
6. A review on the importance of metals and metalloids in atmospheric dust and aerosol from mining operations / Janae Csavina, Jason Field, Mark P. Taylor et al. // Science of Total Environment. 2012. Vol. 433. P. 58-73.
7. Spatial and temporal variations of the particulate size distribution and chemical composition over Ibadan, Nigeria / Grace O. Akinlade , Hezekiah B. Ola-niyi, Felix S. Olise et al. // Environmental Monitoring and Assessment - 2015. Vol. 187. 544.
8. Heavy Metals Concentrations of Surface Dust from e-Waste Recycling and Its Human Health Implications in Southeast China / Anna O. W. Leung, Nurdan S. Duzgoren-Aydin, K. C. Cheung, Ming H. Wong // Environmental science& Technology. 2008. Vol. 42. № 7. P. 2674-2680.
9. PM10 and PM25 and Health Risk Assessment for Heavy Metals in a Typical Factory for Cathode Ray Tube Television Recycling / Wenxiong Fang, Yichen Yang, Zhenming Xu // Environmental science & Technology. 2013. Vol. 47. № 21. P. 12469-12476.
10. Uncertainty in health risks due to anthropogenic primary fine particulate matter from different source types in Finland / M. Tainio, J.T. Tuomisto, J. Pekkanen et al. // Atmospheric Environment. 2010. Vol. 44. № 17. P. 2125-2132.
11. Human exposure to toxic metals via contaminated dust: Bioaccumulation trends and their potential risk estimation / Jawad Mohmanda, Syed Ali Musstjab Akber Shah Eqani, Mauro Fasola et al. // Chemosphere. 2015. № 132. P. 142-151.
12. Environmental injustice and air pollution in coal affected communities, Hunter Valley, Australia / Nick Higginbotham, Sonia Freeman, Linda Connor, Glenn Albrecht // Health & Place. 2010. Vol. 16. № 2. P. 259-266.
13. Toxic heavy metal contamination and risk assessment of street dust in small towns of Shanghai suburban area, China/ Ju Zhang, Huanguang Deng, Dongqi Wang et al. // Environmental Science and Pollution Research. 2013. Vol. 20. № 1. P. 323-332.
14. A comparative risk assessment of burden of disease and injury attributable to 67 risk factors and risk factor clusters in 21 regions, 1990-2010: a systematic
analysis for the Global Burden of Disease Study 2010 / Lim SS et al. // The Lancet. 2012. Vol. 380. P. 2224-2260.
15. Тращилова А. В. Оценка риска смертности населения от мелкодисперсных взвешенных частиц, выбрасываемых в атмосферу промышленными предприятиями: дис. канд. биол. наук. Волгоград, 1999.
16. Центробежно-инерционный классификатор / К. М. Муратова, А. А. Махнин // «Актуальные проблемы безопасности жизнедеятельности и экологии»: сборник научных трудов I Международной научно-практической конференции / Под ред. проф. Пузырева Н. М. Тверь: ТвГТУ, 2015. С. 80-83.
17. Подрезов А. В. Очистка газов от мелкодисперсных пылей / Экология и промышленность России // А. В. Подрезов, Н. И. Володин, Ю. Н. Журавлева, Я. В. Чистяков, Т. М. Чичура. М., ноябрь 2004. С. 20-22.
18. Разработка пылеуловителей нового поколения / Я.В. Чистяков, Н.И. Володин, А. А. Махнин, В.В. Факторович // Известия Тульского государственного университета. Сер. Науки о Земле. Вып.1. 2013. С. 21-31.
19. Чистяков Я. В. / Разработка и исследование опытной конструкции высокоэффективного пылеуловителя и основ математической модели газодинамического процесса сепарации мелкодисперсной пыли // Известия Тульского государственного университета. Сер. Науки о Земле. Вып.1. 2011. С. 87.
20. Чистяков Я.В. Исследование и разработка пылеуловителей, обеспечивающих повышение эффективности очистки воздуха аспирационных систем дробильно-сортировочных комплексов карьеров: Автореф... дис. канд. техн. наук. Тула: ТулГУ. 2012. 19 с.
21. Разработка пылеуловителей нового поколения / Я. В. Чистяков, Н. М. Качурин, А. А. Махнин, Н. И. Володин // Экология и промышленность России. 2013. С. 16-19.
22. Муратова К. М., Чистяков Я. В., Махнин А. А. Пылеулавливание и классификация в центробежно-инерционных аппаратах / Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. Вып. 4. 2014. С. 47-57.
23. Чистяков Я. В., Муратова К. М., Васильев П. В. Повышение эффективности отделение мелкодисперсной пыли в центробежно-инерционных аппаратах пылеулавливания. Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. Вып. 3. 2015. С. 42-51.
24. Чистяков Я. В., Муратова К. М., Володин Н. И. Основы сепарации мелкодисперсной пыли в центробежно -инерционном пылеуловителе. Экология и промышленность в России. 2016. Т. 20. № 8. С. 20-27.
25. Очистка промышленных пылевоздушных потоков в аппаратах цен-тробежно-инерционного типа / К.М. Муратова, А.А. Махнин, Н.И. Володин, Я.В. Чистяков // Химическое и нефтегазовое машиностроение, 2017. № 3. С. 3134.
26. Высокоскоростные центробежно-инерционные пылеуловители: монография / Э. М. Соколов, Н. И. Володин, Я. В. Чистяков, А. А. Махнин, Н. М. Качурин// Ярославль: Изд-во ЯГТУ, 2013. 128 с.
27. Основы сепарации мелкодисперсной пыли в центробежно-инерционном пылеуловителе / Я. В. Чистяков, К. М. Муратова, Н. И. Володин // Экология и промышленность России. 2016. Т. 20. № 8. С. 20-27.
28. Королев Д. В., Наумов В. Н., Суворов К. А. Определение дисперсного состава порошков микроскопическим методом: Методические указания к лабораторной работе. Спб.: ГОУ ВПО СПбГТИ(ТУ), 2005. 41 с.
29. Ужов В.Н., Вальдберг А.Ю., Мягков Б. И. Очистка промышленных газов от пыли. М. : Химия. 1981. 392 с.
30. Effect of geometric configuration on the collection efficiency of axial flow cyclones / Ta-Chih Hsiao, Daren Chen, Paul S. Greenberg, Kenneth W. Street // Journal of Aerosol Science. 2011. Vol. 42. № 2. P. 78-86.
31. Design and performance evaluation of a new cyclone separator/ Irfan Ka-ragoz, Atakan Avci, Ali Surmen, Omer Sendogan // Journal of Aerosol Science. 2013. Vol. 59. Р. 57-64.
Калаева Сахиба Зияддин Кзы, канд. техн. наук, доц. зав. кафедрой, kalaevasz@ mail.ru, Россия, Ярославль, Ярославский государственный университет,
Муратова Ксения Михайловна,асп., km.muratova@mail.ru, Россия, Ярославль, Ярославский государственный университет,
Чистяков Ярослав Владимирович, канд. техн. наук, kalaevasz@ mail.ru, Россия, Ярославль, Ярославский государственный университет
RESEARCHING PROCESS OF CLEANING AIR FLOWS FROM FINE-DISPERSED DUST IN CENTRIFUGAL- INERTIAL DUST EXTRACTION DEVICES
S.Z. Kalaeva, K.M. Muratova, Ya.V. Chistiykov
Topicality creating high-performance dust extraction devices for fine-dispersed dust (less than 10 micrometer) is shown. It's theoretically and experimentally shown that dust extraction process in centrifugal- inertial dust extraction device is realized in follow zones: aerodynamic twist zone; zone of dust concentrating on dust extraction device wall; zone of extracting dust by turning air flow. Possibility of using centrifugal- inertial dust extraction devices for classification of dust by fractions was proved by calculating and full-scale experiments.
Key words: fine-dispersed dust, centrifugal- inertial dust extraction device, classification of dust, biosphere protection.
Kalaeva Sahiba Ziyaddin Kzi, Candidate of Technical Science, Docent, Chief of Department, kalaevasz@ mail.ru, Russia, Yaroslavl, Yaroslavl State University,
Muratova KseniyaMihailovna, Post Graduate Student, km.muratova@mail.ru, Russia, Yaroslavl, Yaroslavl State University,
Chistiykov Yaroslav Vlfdimirovich, Candidate of Technical Science, kalaevasz@ mail.ru, Russia, Yaroslavl, Yaroslavl State University
Reference
1. Clearing the Air: A Review of the Effects of Particulate Matter Air Pollution on Human Health / Jonathan O. Anderson, Josef G. Thundiyil, Andrew Stolbach // Journal of Medical Toxicology. 2012. Vol. 8. № 2. R. 166-175.
2. Vozdejstvie vzveshennyh chastic na zdorov'e // Vsemirnaja organizacija zdravoohrane-nija, 2013. URL: http://www.euro.who. int/data/assets/
pdf_file/0007/189052/Health-effects-of-particulate-matter-final-Rus.pdf (data obrashheni-ja: 28.03.2016).
3. Concentrations and Estimated Soot Content of PM1, PM2.5, and PM10 in a Subarctic Urban Atmosphere / Marko J. Vallius, Juhani Ruus-kanen, Aadu Mirme, Juha Pekkanen // Environmental science & Technology. 2000. Vol. 34. № 10. P. 1919-1925.
4. Possible mechanisms of the cardiovascular effects of inhaled
particles: systemic translocation and prothrombotic effects / Abderrahim Nemmar, Marc F. Hoylaerts, Peter H.M. Hoet, Benoit Nemery // Toxicology Letters. 2004. Vol. 149. № 1-3. P. 243253.
5. A European aerosol phenomenology - 3: Physical and chemical characteristics of particulate matter from 60 rural, urban, and kerbside sites across Europe / J.-P. Putaud, R. Van Dinge-nen, A. Alastuey et al. // Atmospheric Environment. 2010. Vol. 44. № 10. P. 1308-1320.
6. A review on the importance of metals and metalloids in atmospheric dust and aerosol from mining operations / Janae Csavina, Jason Field, Mark P. Taylor et al. // Science of Total Environment. 2012. Vol. 433. P. 58-73.
7. Spatial and temporal variations of the particulate size distribution and chemical composition over Ibadan, Nigeria / Grace O. Akinlade , Hezekiah B. Olaniyi, Felix S. Olise et al. // Environmental Monitoring and Assessment - 2015. Vol. 187. 544.
8. Heavy Metals Concentrations of Surface Dust from e-Waste Recycling and Its Human Health Implications in Southeast China / Anna O. W. Leung, Nurdan S. Duzgoren-Aydin, K. C. Cheung, Ming H. Wong // Environmental science& Technology. 2008. Vol. 42. № 7. P. 2674-2680.
9. PM10 and PM2.5 and Health Risk Assessment for Heavy Metals in a Typical Factory for Cathode Ray Tube Television Recycling / Wenxiong Fang, Yichen Yang, Zhenming Xu // Environmental science & Technology. 2013. Vol. 47. № 21. P. 12469-12476.
10. Uncertainty in health risks due to anthropogenic primary fine particulate matter from different source types in Finland / M. Tainio, J.T. Tuomisto, J. Pekkanen et al. // Atmospheric Environment. 2010. Vol. 44. № 17. P. 2125-2132.
11. Human exposure to toxic metals via contaminated dust: Bio-accumulation trends and their potential risk estimation / Jawad Mohmanda, Syed Ali Musstjab Akber Shah Eqani, Mauro Fasola et al. // Chemosphere. 2015. № 132. P. 142-151.
12. Environmental injustice and air pollution in coal affected communities, Hunter Valley, Australia / Nick Higginbotham, Sonia Freeman, Linda Connor, Glenn Albrecht // Health & Place. 2010. Vol. 16. № 2. R. 259-266.
13. Toxic heavy metal contamination and risk assessment of street dust in small towns of Shanghai suburban area, China/ Ju Zhang, Huanguang Deng, Dongqi Wang et al. // Environmental Science and Pollu-tion Research. 2013. Vol. 20. № 1. P. 323-332.
14. A comparative risk assessment of burden of disease and injury attributable to 67 risk factors and risk factor clusters in 21 regions, 1990-2010: a systematic analysis for the Global Burden of Disease Study 2010 / Lim SS et al. // The Lancet. 2012. Vol. 380. P. 2224-2260.
15. Trashhilova A. V. Ocenka riska smertnosti naselenija ot melkodispersnyh vzveshennyh chastic, vybrasyvaemyh v atmosferu promyshlennymi predprijatijami: dis. kand. biol. nauk. Volgograd, 1999.
16. Centrobezhno-inercionnyj klassifikator / K. M. Muratova, A. A. Mahnin // «Aktual'nye problemy bezopasnosti zhiznedejatel'nosti i jekologii»: sbornik nauchnyh trudov I Mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii / Pod red. prof. Puzyreva N. M. Tver': TvGTU, 2015. S. 80-83.
17. Podrezov A. V. Ochistka gazov ot melkodispersnyh pylej / Jekologija i promyshlen-nost' Rossii // A. V. Podrezov, N. I. Volodin, Ju. N. Zhuravleva, Ja. V. Chistjakov, T. M. Chichura. M., nojabr' 2004. S. 20-22.
18. Razrabotka pyleulovitelej novogo pokolenija / Ja.V. Chistjakov, N.I. Volodin, A.A. Mahnin, V.V. Faktorovich // Izvestija Tul'skogo gosudarstvennogo universiteta. Ser. Nauki o Zemle. Vyp.1. 2013. S. 21-31.
19. Chistjakov Ja. V. / Razrabotka i issledovanie opytnoj konst-rukcii vysokojeffektivno-go pyleulovitelja i osnov matematicheskoj modeli gazodinamicheskogo processa separacii melko-dispersnoj pyli // Izvestija Tul'skogo gosudarstvennogo universiteta. Ser. Nauki o Zemle. Vyp.1. 2011. S. 87.
20. Chistjakov Ja.V. Issledovanie i razrabotka pyleulovitelej, obespechivajushhih povyshe-nie jeffektivnosti ochistki vozduha aspiraci-onnyh sistem drobil'no-sortirovochnyh kompleksov kar'erov: Avto-ref... dis. kand. tehn. nauk. Tula: TulGU. 2012. 19 s.
21. Razrabotka pyleulovitelej novogo pokolenija / Ja. V. Chistja-kov, N. M. Kachurin, A. A. Mahnin, N. I. Volodin // Jekologija i promyshlennost' Rossii. 2013. S. 16-19.
22. Muratova K. M., Chistjakov Ja. V., Mahnin A. A. Pyleulavlivanie i klassifikacija v centrobezhno-inercionnyh apparatah / Izvestija Tul'skogo gosudarstvennogo universiteta. Nauki o Zemle. Vyp. 4. 2014. S. 47-57.
23. Chistjakov Ja. V., Muratova K. M., Vasil'ev P. V. Povyshenie jeffektivnosti otdelenie melkodispersnoj pyli v centrobezhno-inercionnyh apparatah pyleulavlivanija. Izvestija Tul'skogo gosudarstvennogo universiteta. Nauki o Zemle. Vyp. 3. 2015. S. 42-51.
24. Chistjakov Ja. V., Muratova K. M., Volodin N. I. Osnovy separacii melkodispersnoj pyli v centrobezhno -inercionnom pyleulovitele. Jekologija i promyshlennost' v Rossii. 2016. T. 20. № 8. S. 20-27.
25. Ochistka promyshlennyh pylevozdushnyh potokov v apparatah centrobezhno-inercionnogo tipa / K.M. Muratova, A.A. Mahnin, N.I. Volodin, Ja.V. Chistjakov // Himicheskoe i neftegazovoe mashinostroenie, 2017. № 3. S. 31-34.
26. Vysokoskorostnye centrobezhno-inercionnye pyleuloviteli: monografija / Je. M. So-kolov, N. I. Volodin, Ja. V. Chistjakov, A. A. Mahnin, N. M. Kachurin// Jaroslavl': Izd-vo JaGTU, 2013. 128 s.
27. Osnovy separacii melkodispersnoj pyli v centrobezhno-inercionnom pyleulovitele / Ja. V. Chistjakov, K. M. Muratova, N. I. Volodin // Jekologija i promyshlennost' Rossii. 2016. T. 20. № 8. S. 20-27.
28. Korolev D. V., Naumov V. N., Suvorov K. A. Opredelenie dispersnogo sostava po-roshkov mikroskopicheskim metodom: Metodiche-skie ukazanija k laboratornoj rabote. Spb.: GOU VPO SPbGTI(TU), 2005. 41 s.
29. Uzhov V.N., Val'dberg A.Ju., Mjagkov B. I. Ochistka promyshlennyh gazov ot pyli. M. : Himija. 1981. 392 s.
30. Effect of geometric configuration on the collection efficiency of axial flow cyclones / Ta-Chih Hsiao, Daren Chen, Paul S. Greenberg, Kenneth W. Street // Journal of Aerosol Science. 2011. Vol. 42. № 2. P. 78-86.
31. Design and performance evaluation of a new cyclone separator/ Irfan Karagoz, Atakan Avci, Ali Surmen, Omer Sendogan // Journal of Aerosol Science. 2013. Vol. 59. R. 57-64.
