КРИТЕРИИ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПЕЧЕЙ Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

Статья поступила в редакцию 02.10.13. Ред. рег. № 1811

The article has entered in publishing office 02.10.13 . Ed. reg. No. 1811

УДК 504:666.9.041

КРИТЕРИИ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПЕЧЕЙ

В.И. Ярошенко, Н. С. Жукова

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: 07.10.13 Заключение совета экспертов: 12.10.13 Принято к публикации: 17.10.13

В статье излагаются основные принципы экологической безопасности промышленных печей, встроенных в технологические процессы получения кондиционных строительных материалов и изделий. Определение источника экологической опасности предлагается определять на основе исследований технологических взаимодействий при переделе сырья в компонент или конечный продукт. По этим результатам устанавливают критерий экологической безопасности каждого технологического процесса. В данном исследовании в качестве представителя выбран псевдоожиженный слой.

Ключевые слова: псевдоожиженный слой, экологическая безопасность, аэродинамика, фильтрация, ожижение, кипение, подобие, гранулометрический состав, шихта, порозность, миделевое сечение.

CRITERIA OF ECOLOGICAL SAFETY OF INDUSTRIAL FURNACES

V.I. Yaroshenko, N.S. Zhukova

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: 07.10.13 Expertise: 12.10.13 Accepted: 17.10.13

Basic principles of ecological safety of industrial furnaces, which have been included into technological processes of obtaining standard construction materials and products, are stated in the paper. Definition of a source of ecological danger is offered to be defined on the basis of research of technological interactions at raw materials repartition into a component or final product. Criterion of ecological safety of each technological process is established using these results. A fluidized layer is chosen as the representative in this research.

Keywords: fluidized layer, ecological safety, aerodynamics, filtration, liquefaction, boiling, similarity, granulometric structure, furnace charge, porosity, midship section.

Виктор Иванович Ярошенко

Сведения об авторе: доцент кафедры «Безопасность жизнедеятельности в техносфере» Волгоградского гос. архитектурно-строительного университета Область научных интересов: техносферная безопасность. Публикации: 55.

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 12 (134) 2013

© Scientific Technical Centre «TATA», 2013

Введение

Основой принцип экологической безопасности состоит в том, чтобы при организации любого производства и разнообразных технологических процессов не осуществлялось влияния на окружающую среду. Под окружающей средой здесь понимается вся окружающая обстановка, которая органически не входит в технологический процесс. Однако в первую очередь рассматривается влияние на природу. Это влияние может быть не только отрицательным, но и положительным. Эмпирический опыт научно-технического прогресса свидетельствует о том, что в первую очередь надо рассматривать вредное влияние на природу. Большинство преобразований материалов в технологических процессах происходит на основе двух типов реакций: экзотермических и эндотермических. Эмпирический опыт показывает, что получить полезную работу в условиях нашей природы можно только за счет разности потенциалов энергии тепловой машины и окружающей среды. В технологических процессах эта разность потенциалов используется для изменения свойств сырья при тепловом воздействии на структуру материала. Процессы, в которых используются в качестве воздействующих факторов температура, давление, объем называются тепловыми или термодинамическими. Процессы дробления, разделения, смешения, давления относятся к механическим процессам [1, 2].

Теоретический анализ

Промышленные печи строительной индустрии, как источники экологической опасности, не рассматриваются отдельно от их назначения в технологическом процессе. Назначение, режим тепловой работы, процессы преобразования материала и сам исходный материал могут являться причиной образования потенциальных агентов экологической опасности. В данном случае не применим подход безотходности производственного технологического процесса, который, в основном, относится к материальному балансу обрабатываемого материала на входе в качестве сырья и на выходе в качестве полезного продукта (потребительской стоимости).

При технологическом переделе сырья в готовый продукт происходит ряд физико-химических, тепло-физических, гидро- и аэродинамических процессов, при которых в рабочем пространстве печи выделяются продукты, которые могут быть потенциальными загрязнителями как рабочей зоны, так и окружающей природной среды.

Задача определения источника экологической опасности осложняется тем, что в рабочем пространстве почти одновременно протекают как теплотехнические процессы, которые определяются теплообменом, механикой газов, горением топлива, так и процессами технологического передела, такими, как превращение одной модификации минерала в дру-

гую, выгорания примесей, удаление и поглощение влаги, интенсивное аэродинамическое перемещение и перемешивание материалов. В этой связи для определения экологически опасных веществ как конечных продуктов тепло-технологических процессов необходимо анализировать как процессы, протекающие в рабочем пространстве печи, так и режимы работы печей. Такой анализ позволит в каждом конкретном режиме работы печей выделить процессы образования загрязнителей и, опираясь на нормы предельно допустимых концентраций (ПДК) и предельно допустимых выбросов (ПДВ), определить эффективные способы и средства предотвращения загрязнения окружающей среды [3, 4].

Результаты экспериментальных исследований

Псевдоожиженный или кипящий слой характеризуется особым аэродинамическим состоянием, при котором частицы (зерна) твердого вещества, подбрасываемые вверх встречными потоками газа, находятся как бы в слое пониженной плотности, в котором влияние сил трения между частицами значительно слабее, чем в неподвижном плотном слое. Уменьшение плотности упаковки частиц в слое обеспечивает их подвижность и возможность интенсивного перемешивания.

В то же время реакционная поверхность частиц (м2/кг) увеличивается, поскольку они малы по размерам и в меньшей степени касаются одна другой. Процесс образования псевдоожиженного слоя можно представить таким образом: при малом давлении газа, поступающего снизу в слой, газ фильтруется через слой, состоящий из неподвижных зерен, аналогично фильтрации газа через пористое твердое тело. По мере увеличения давления газа зерна слоя как бы раздвигаются. При этом между зернами образуются газовые прослойки, вследствие чего объем слоя увеличивается, а контакт между зернами уменьшается. Это означает, что наступает режим спокойного псевдоожижения (начальная стадия), при котором перемешивание материалов и газа незначительно, а существенные проскоки газа через слой отсутствуют. При дальнейшем увеличении расхода, проходящего через слой газа, движение газов и материалов становится неустойчивым и сопровождается выбросами не только отдельных зерен, но и их сцеплений (комков).

В устойчивом псевдоожиженном состоянии слоя, в собственно кипящем слое, частицы под действием газового потока быстро перемещаются по всему объему слоя. Столкновение частиц между собой оказывает сопротивление этим перемещениям. В этом состоянии материал и газ интенсивно перемешиваются по всему объему слоя.

Дальнейшее увеличение расхода и, следовательно, скорости движения газа через слой сопровождается переходом частиц в новое взвешенное состояние.

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 12 (134) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013

Энергетика и экология

Таким образом, рассмотрение этих моделей показывает, что существует два критических значения скорости газа. Первое соответствует началу псевдо-ожиженного слоя, второе - соответствует переходу частиц во взвешенное состояние.

Под скоростью газа, называемой обычно скоростью фильтрации, понимают скорость юоб, отнесенную к свободному сечению слоя. Что касается действительной скорости газов в слое, то вследствие возрастания объема слоя и его порозности, при том же количестве твердых частиц, действительная скорость фильтрации юоб в среднем остается постоянной до перехода частиц во взвешенное состояние. Для характеристики состояния кипящего слоя удобно пользоваться отношением скорости фильтрации, при которой плотный слой переходит в кипящий (юмин). Это отношение принято называть числом псевдоожижения:

W = Юоб/гом

(1)

Процесс псевдоожижения, сопровождающийся интенсивным перемешиванием материала, начинается при значении № = 2, что соответствует увеличению объема слоя по сравнению с объемом плотного слоя приблизительно на 15%. Началу «кипения» соответствует № > 1.

Движение газов и материалов в псевдоожиженном слое крайне сложно и ещё недостаточно изучено. Поэтому для получения характеристик слоя исходят из возможных моделей движения. К характеристическим величинам относятся: критические скорости фильтрации юмин - минимальная скорость, при которой начинается псевдоожижение, юмакс - максимальная скорость, при которой частицы переходят во взвешенное состояние и таким образом уходят в неплотную фазу, сопротивление аэродинамическое кипящего слоя, время пребывания частиц в слое.

Первая модель движения исходит из предположения, что после перехода слоя в сжиженное состояние частицы с некоторой вероятностью индивидуально реагируют с газовыми потоками. Тогда предельные условия на границах кипящего слоя можно составить, исходя из рассмотрения воздействия потока на отдельную частицу. Если при отсутствии газового потока в слое движение материала может происходить только под действием силы тяжести, в условиях преодоления сил внутреннего и внешнего трения, то при наличии газового потока появляется новый фактор - противодавление газов силе тяжести. Физически противодавление газов выражается в том, что встречный поток оказывает давление на сложную поперечную поверхность слоя, зависящее от количества движения потока:

Г < - г ю2 к2 K Y F или K = —Y —- ,

g 2g Уг м g 2g Уг M2 '

(2)

равно 2; юг = юоб/ - действительная скорость газа в порах, м/с; / - порозность слоя; Yг - действительный удельный вес газа, кг/м3; Fм - проекция противостоящей поверхности на плоскость перпендикулярную оси потока.

Противодавление газов на неподвижные частицы слоя пропорционально квадрату скорости газов в слое. Обозначим:

Ом.о. = См - Ог, (3)

где Омо. - относительная масса одной частицы, кг; Ом - действительная масса частицы, «чистая», кг; Ог - масса газа, находящегося в порах частицы, кг.

Тогда поведение частицы в слое может иметь три характерных случая:

2

а) Ом.о. > ^ ^ уг Fм;

2

б) О = К Y F ;

' м.о. е ^ «г м >

2

в) О < К Y F .

' м.о. е ^ «г м

е 2 я

В случае «а» результирующая сила ОЕа направлена вниз и будет восприниматься как давление на нижележащие частицы слоя:

Gy = G - K

Еа м.о. g

2g

Y F .

«г м

(4)

В случае «б» результирующая сила равна нулю:

Ge6 = 0.

В случае «в» результирующая сила ОЕв будет стремиться выбросить частицу из слоя и образовать вредность для среды:

ю„

GEb = Kg7T Y г FM - GM g 2 g

(5)

где Ке - коэффициент, зависящий от числа Яе, теоретическое значение, которое для плоской поверхности

Если рассматриваемая частица находится в плотном слое, то для вычисления результирующей силы, действующей на частицу, необходимо её вес суммировать с давлением вышерасположенных частиц слоя. Перемещению частиц внутри слоя также препятствуют силы трения, возникающие по поверхности контакта с другими частицами. Существенное перемещение и выброс частиц из слоя под действием силы давления газового потока происходит, главным образом, в верхних частях слоя.

Предел устойчивости неоднородного слоя, т.е. условия для выноса самых мелких компонентов, может быть найден из следующих соображений. В момент отрыва частицы необходимая сила О должна равняться сумме относительного веса и силы инерции частицы:

О = (-о,) + °^, (6)

Я ¿т

где ¿Н - элементарное перемещение частицы за время ¿т.

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 12 (134) 2013

© Scientific Technical Centre «TATA», 2013

Сила сопротивления движению частицы может быть получена из уравнения:

ю„

G = К y F

сл • г м

2g

(7)

где Ксл - коэффициент, учитывающий комплексное влияние формы и размеров пор на величину линейных сопротивлений потоку.

Приравнивая (6) и (7) и решая полученное урав-

й2 Н

нение относительно „ , получим:

d2 H

■ = К

d т

F 1

—- y f —

2g Yr M Gm

G - G

. M_r_

G

(8)

Для частиц шаровой формы получаем:

d2 H = 3 К, »1Y^ - g 11 -_Уг_

d т2

2 d 2g Ym

Y M

(9)

где й - диаметр частицы; уг, ум - соответственно удельный вес газа и объемный вес частицы.

Обработка (9) методами теории подобия позволяет установить два характерных критерия:

^ и К

d 2g Ym -yr

При Кс

ю y

г * г

4

2g Ym - Y г 3 d2 H

равной нулю, т.е.

d т

= з правая часть (9) становится 2 = 0 , что и является предельн^тм

состоянием, иначе состоянием покоя частицы.

Экспериментально установлено, что для слоя кусков непосредственной формы величина критерия уноса:

К ю2р Y г dg Y м - Y г

= 0,042 .

(10)

Из (10) может быть найдено значение предельно допустимой (критической) скорости юкр, при которой уноса еще не происходит. В связи с этим для каждого гранулометрического состава шихты существует практически устанавливаемая предельная скорость газов в слое, при которой противодавление и перемещение мелких фракций внутри слоя и вынос их за границы этого слоя не приводит к уносу, угрожающему загрязнением окружающей среды. Этой скоростью и должна ограничиваться предельная производительность шахтной печи.

Список литературы

1. Азаров В.Н., Ажгиревич А.И., Грачев. В.А. и др. Общая экология: учебник для высших учебных заведений Минобрнауки РФ / Под общ. ред. В.В. Гутенева. М., Волгоград: ПринТерра, 2009.

2. Ярошенко В.И. Проектирование охраны труда. Волгоград: ВолгГАСУ, 2008.

3. Азаров В.Н., Ажгиревич А.И., Грачев В.А. и др. Экология города: учебник для высших учебных заведений Минобрнауки РФ / Под общ. ред. В.В. Гутенева. М., Волгоград: ПринТерра, 2009.

4. Азаров В.Н., Ажгиревич А.И., Грачев В.А. и др. Промышленная экология: учебник для высших учебных заведений Минобрнауки РФ / Под общ. ред. В.В. Гутенева. М., Волгоград: ПринТерра, 2009.

References

1. Azarov V.N., Azgirevic A.I., Gracev. V.A. i dr. Obsaa ekologia: ucebnik dla vyssih ucebnyh zavedenij Minobrnauki RF / Pod obs. red. V.V. Guteneva. M., Volgograd: PrinTerra, 2009.

2. Arosenko V.I. Proektirovanie ohrany truda. Volgograd: VolgGASU, 2008.

3. Azarov V.N., Azgirevic A.I., Gracev V.A. i dr. Ekologia goroda: ucebnik dla vyssih ucebnyh zavedenij Minobrnauki RF / Pod obs. red. V.V. Guteneva. M., Volgograd: PrinTerra, 2009.

4. Azarov V.N., Azgirevic A.I., Gracev V.A. i dr. Promyslennaa ekologia: ucebnik dla vyssih ucebnyh zavedenij Minobrnauki RF / Pod obs. red. V.V. Guteneva. M., Volgograd: PrinTerra, 2009.

Транслитерация по ISO 9:1995

с---* — TATA — LXJ

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 12 (134) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013