CC BY
61Шаптала В.В., канд. техн. наук, доц. Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова
МОДЕЛИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ СИСТЕМ ОЧИСТКИ ЗАПЫЛЕННЫХ ВЫБРОСОВ
ЦЕМЕНТНОГО ПРОИЗВОДСТВА
Shaptalavadim@yandex.ru
Выполнены моделирование и расчет систем очистки запыленных выбросов вращающихся печей и цементных мельниц, установлены закономерности формирования пылевого загрязнения приземного слоя воздуха цементными заводами в зависимости от режима их работы и эффективности пылеулавливающего оборудования.
Ключевые слова: цементное производство, запыленные газовые выбросы, системы пылеулавливания, приземная концентрация пыли, экологические требования и нормативы.
промышленные выбросы не являются источником вредного воздействия на здоровье населения и окружающую среду и поэтому расчет загрязнения атмосферы этими выбросами за пределами СЗЗ не производится.
В связи с предстоящим введением технологических нормативов на промышленные выбросы представляется актуальной оценка степени экологичности технологического и газоочистного оборудования цементных заводов. Такая оценка позволит установить необходимость и основные направления модернизации цементного производства для снижения оказываемой им техногенной нагрузки на среду обитания населения и окружающую среду.
Основная часть. Приземную концентрацию пыли С(х), мг/м3, создаваемую выбросами цементного завода на расстоянии x, м можно представить в виде:
С(х) = Nfl (х) + N1C1 (г) (1)
где N^2 - количество работающих выбросных труб вращающихся печей и цементных мельниц; Cl(x), С2(х) - концентрации пыли, создаваемые этими источниками:
С1,2 (*)= Cм1,2S1,2 (Х) (2)
Здесь см12 - максимальные приземные
концентрации пыли, создаваемые выбросными трубами вращающихся печей и мельниц соответственно, Sl,2(x) - безразмерные множители:
Введение. При существующих технологиях производства цемента пылевые выбросы в атмосферу неизбежны [1]. Выделяемая оборудованием цементная пыль загрязнет воздушную среду производственных помещений и промышленных площадок, атмосферу и сопредельные среды на территориях, прилегающих к цементным заводам [2]. В соответствии с законодательством РФ нормирование промышленных выбросов вредных веществ в атмосферу основано на необходимости соблюдения гигиенических и экологических критериев качества атмосферного воздуха [3, 4]. В частности, должно выполняться требование непревышения содержания вредных веществ в воздухе населенных пунктов предельно допустимого уровня, который для цементной пыли составляет 0.15 мг/м3 [5]. Наряду с этим в ближайшие годы планируется разработка и внедрение в систему государственного регулирования загрязнения атмосферы технических (технологических) нормативов выбросов вредных веществ. Значения удельных показателей этих нормативов для конкретных производственных процессов и установок должны соответствовать наилучшим доступным технологиям и будут учитываться при установлении нормативов предельно-допустимых выбросов (ПДВ) [6].
Главными источниками выбросов цементной пыли являются вращающиеся печи и мельницы для помола цементного клинкера. Согласно ранее действовавшим нормативным концентрация пыли в выбросах цементного производства допускалась в пределах 60.. .90 мг/нм3 [7]. В странах ЕС этот показатель установлен на уровне 20.50 мг/нм3 при интенсивности выбросов менее 0.2 кг/ч (прозрачные выбросы) [1]. При таких выбросах приземная концентрация пыли, создаваемая цементным заводом на границе санитарно-защитной зоны (СЗЗ) или на границе ближайшей жилой застройки, может оказаться равной или ниже 0,1 предельно-допустимой концентрации (ПДК) для воздуха населенных мест. В этом случае считается, что
^2 (X) =
( Т
( V
2
+6
при
< 1,
(3)
1,13
0,13|-| +1
X.
при 1 <-< 8,
где xмl,2 - расстояния, на которых достигаются наибольшие концентрации пыли, создаваемые выбросами печей и мельниц [8].
Характер изменения приземной концентрации пыли в зависимости от расстояния показан на рис. 1.
х
3
8
ЧХШ1,2 у
\Хш 1,2 у
>.ХШ 1,2 у
X
М 1,2
X
М 1,2
■М11
1
0,8 0,6 0,4 ОД 0
с
ми
012 3 45678 Рис. 1. Изменение приземной концентрации цементной пыли по мере удаления от выбросной трубы
Согласно действующей в настоящее время методике [8] значения См1,2 и Хм1,2 зависят от расхода и температуры выбрасываемых запыленных газов, концентрации и дисперсного состава пыли, высоты выбросных труб и метеорологических условий.
Для вращающихся печей размерами 5^185 м с расходом запыленных выбросов 127 м3/с при температуре 150 °С при неблагоприятных метеорологических условиях выражения для параметров См1 и хм1 принимают вид:
5,46Св1 , (4)
температура понижается до 60...30 °С в холодный период года и до 70-50 °С в теплый период. В соответствии с этим формулы, определяющие параметры рассеивания аспирационных выбросов См2 и %М2 для холодного периода года принимают вид:
---3
C
м 2 =( - 0,06)Н1
§2, мг/м
См 1 -
- 29Я,,
хм2 -(19,3 - 2,6к)я2, м, а для теплого периода
см 2 -(о,133^ - о,1) %, мг/м3
Я2
(5)
где С§1 - концентрация пыли в выбросах печей, мг/м3, Я\ - высота выбросной трубы печи, м; ? -температура наружного воздуха.
Выбросы цементных мельниц обусловлены необходимостью их аспирации. Оптимальный режим аспирации мельниц достигается при скорости движения воздуха равной 0,7 м/с. В этом случае расход проходящего через мельницу размерами 4^13,5 м аспирационного воздуха достигает 5,7 м3/с при температуре на выходе из мельницы равной 100.120 °С.
Из-за подсосов объем отсасываемого из мельницы запыленного воздуха возрастает в к = 1,5.3 раз, где к - коэффициент подсосов, а его
(6)
(7)
(8)
Хм2 - 14Я2, м, (9)
где С§2, мг/м3 - концентрация пыли в выбросах цементных мельниц, Я2, м - высота их выбросных труб.
Рассмотрим более напряженный в экологическом отношении теплый период года, когда загрузка цементных заводов максимальна, а условия рассеивания их запыленных выбросов наименее благоприятны.
В этом случае для расстояний х > 3000 м (3000 м - максимальный радиус СЗЗ для цементных заводов [9]) и минимальных подсосах в системе газоочистки (к = 1,5) соотношение (1) принимает вид:
с (х)-
0,08 N 2Св2
мг/м3
(10)
0,00015 х 2 + Я, 0,0007х 2 + Я 2
Концентрация пыли в выбросах цементных заводов определяется особенностями технологического оборудования и эффективностью газоочистных установок [10].
Для обеспыливания выбросов вращающихся печей используется двухступенчатая система очистки, состоящая из пылеосадительной каме-
ры с коэффициентом очистки « 0,2 и электрофильтра с эксплуатационной эффективностью г\пк ~ 0,99.
Пылевынос из вращающихся печей в среднем равен Сп =10 г/м3, поэтому минимальная концентрация пыли на выходе из выбросных труб цементных печей может составлять
Св1 - 104 (1 - 0,2)(1 - 0,99) - 80 мг/м3
(11)
х
В действительности концентрация пыли в выбросах цементных печей нередко достигает значений от 200 до 600 мг/м3.
Для обеспыливания аспирационных выбросов цементных мельниц в настоящее время применяется трехступенчатая система очистки, включающая в себя аспирационную шахту, группу циклонов и рукавный фильтр [11]. Наибольшие значения коэффициентов очистки воздуха в аспирационной шахте и рукавном фильтре, достигаемые в реальных условиях, равны г]АШ = 0,9 и цРФ = 0,99 соответственно.
Процесс центробежного осаждения пыли определяется физико-механическими свойствами подаваемого на очистку потока запыленного воздуха, а также конструктивными особенностями группы циклонов.
Так, согласно действующей в настоящее время методике НИИОгаз, основанной на логарифмически-нормальной аппроксимации распределений размера частиц пыли и фракционных коэффициентов их улавливания, эффективность группы циклонов определяется соотношением [12]:
ПГЦ = Ф( 4
где Ф(г) - интеграл вероятностей
Z
Ф(х) = -^ I ехР
2
г =
42п
— <Х> V
^0,5/ ¿50)
2 2 lg ° + lg оч
(12)
(13)
(14)
Здесь ¿0,5 и ¿50 - медианный размер частиц пыли и размер частиц, улавливаемых циклонами на 50%; о„и 0ч - средние квадратические I ч
отклонения распределения фракционных коэффициентов улавливания частиц пыли и распределения их размеров. Для циклонов ЦН-15, применяемых в системах очистки аспирацион-
ных выбросов цементных мельниц, параметр о^ = 2,249 установлен опытным путем, а параметр Оц определяется по дисперсному составу пыли с помощью соотношений:
¿0,5 ¿0,84
оч =
(15)
¿0,16 ¿0,16 Здесь ¿0,16 и ¿0,84 - размеры частиц, для которых ВД,1б) = 0,16, £>(¿0,84) = 0,84, где О(с!) -интегральная функция распределения размеров частиц:
' ¿/¿0,5 1 (16)
о {ё) = ф
1ё оч
Параметр ¿50 может быть найден по формуле [13]:
¿50 = 14,5 -105^"0,51
мкм,
(17)
^ Рч
где ( - коэффициент гидравлического сопротивления циклонов, £ц - их диаметр, м; коэффициент динамической вязкости воздуха; Wц -скорость очищаемого воздуха в плане циклона (фиктивная скорость), м/с; рч = 3100 кг/м3 -
плотность частиц цементной пыли. Для циклонов ЦН-15 с учетом запыленности воздуха и прямоугольной компоновки группы циклонов ( = 168,3 , а оптимальным значением фиктивной
скорости является wц = 3,5 м/с. При такой фик-
ц
тивной скорости для очистки аспирационных выбросов одной мельницы оптимальной будет группа из 6 циклонов диаметром Оц = 0,6 м.
Дисперсные характеристики ¿0,5 и Оч цементной пыли, поступающей из аспирационной шахты в циклоны, найдем по ее фракционному составу [14] (табл.1).
Дисперсный состав пыли на выходе из аспирационной шахты
Таблица 1
¿1-1... 0..10 10..20 20.30 30.40 40.60 60.90 90.200
АО 0,017 0,157 0,118 0,05 0,041 0,016 0,001
0,617 0,774 0,892 0,942 0,983 0,999 1
График интегральной функции распределения О(с1) представлен на рис. 2.
Аппроксимируя начальный участок (0 < d < 20мкм) интегральной кривой квадратичной функцией, получим выражение:
О (¿) = —0,00135d2 + 0,00693d + 0,003,
с помощью которого найдем 16 = 2,375, ¿0 5 = 8,62, ¿0 84 = 19,44мкм. Поскольку реальные распределения частиц пыли подчиняются логарифмически-нормальному закону лишь приближенно, то для параметра оч примем его среднее значение:
0,5
- + -
0,84
Л
V¿0,16 ¿0,5 У
= 2,94
(18) (19)
По найденным дисперсным характеристикам пыли с помощью соотношений (12.14) найдем, что максимально достижимая степень очистки аспирационного воздуха в указанной
выше группе циклонов составляет ТГЦ -0,75...0,78 [15].
Концентрация цементной пыли на выходе из мельницы см > 500 г/м3, поэтому ее минимальная концентрация на выбросе составляет: 2 - См (1 - ТАШ )(1 - ТГЦ )(1 - ТРФ ) -110 г/м3 (20) Реальная запыленность аспирационных выбросов цементных мельниц может превышать минимальную в 2 .4 раза.
Предположим, что концентрации пыли в выбросах печей и мельниц имеют минимально допустимые значения С§\ = 80 мг/м3, С§2 = 110 мг/м3, а высоты их выбросных труб Я\= 100 м и Я2 = 37 м соответственно. Тогда соотношение (10), определяющее концентрацию пыли на прилегающей к заводу территории принимает вид:
С (х )-
88N,
8,8^
—
0,00015х 2 +1000 0,0007х 2 +1369
(21)
ОД
1
0.5
о
мкм
0 20 40 60 80 100
Рис. 2. Кривая распределения частиц пыли на входе в циклоны
Для концентрации пыли на границе расширенной СЗЗ завода (х = 3000) из соотношения (21) получим:
С(х) - 0,00775N + 0,00115^ (22) Завод не будет оказывать вредного влияния на здоровье населения и окружающую среду при выполнении условия
0,00775^ + 0,00115^ < 0,015, (23) которое сводится к неравенству:
N2 < 13 - 7N1 (24)
Из неравенства (24) следует, что пылевыми выбросами цементного завода при надлежащей работе пылеулавливающего оборудования можно пренебречь при совместной работ одной печи и не более шести мельниц.
Предельно-допустимая концентрация цементной пыли (Спдк = 0,15 мг/м3) на границе обычной СЗЗ завода (х = 1000 м) будет выдерживаться при режиме работы завода, определяемом условием:
N2 < 35 - 2^ (25)
т.е. при наименьших достижимых выбросах печей и мельниц Спдк пыли за пределами СЗЗ полностью загруженного типичного цементного завода (N < 10,N2 < 12) , будет обеспечена.
Расстояние х, м, начиная с которого концентрация пыли не превышает заданного значения С, мг/м3 может быть найдено из уравнения, которое вытекает из соотношения (10):
ах4 + ¡х 2 + у - 0, где а - 1,05 -10 7 с (27)
З - 7,21С - 0,00077^ Св1 - 0,00001Ж2Св^ (28)
у - 1,37 -107С -1506NCЛ - 800N2Св2 (29)
(26)
Решение уравнения (26) имеет вид:
х аз-а)-з (30)
Из формулы (30) следует, что при реально существующих (особенно в ночное время) пылевых выбросах (С§1 = 400 мг/м3, С§2 = 250 мг/м3) концентрация пыли, создаваемая цементным заводом при одновременно работающих, к примеру, 7 печах, 10 мельницах опускается ниже
предельно-допустимого уровня лишь на расстояниях х > 12 км.
Приведенный выше анализ позволяет количественно оценить состояние экологической безопасности цементного производства от которой в значительной мере зависят перспективы его развития.
Улучшение экологических характеристик цементных заводов путем изменения режима их работы и модернизации пылеулавливающих си-
стем не всегда возможно и экономически оправдано, поэтому основным направлением решения экологических проблем является строительство новых цементных заводов, оснащенных современным экологически безопасным оборудованием [16].
Выводы
1. При недостаточно эффективной работе пылегазоочистного оборудования пылевые выбросы цементных заводов могут создать критическую экологическую ситуацию на прилегающих к ним территориях.
2. При снижении пылевых выбросов до минимально достижимых для эксплуатируемого в настоящее время технологического и пылеулавливающего оборудования уровней санитарно-гигиенические и экологические требования за пределами санитарно-защитных зон заводов могут быть удовлетворены.
3. Снижение техногенной нагрузки цементных заводов на среду обитания населения и окружающую среду до европейских норм невозможно без перехода на передовые экологически безопасные технологии цементного производства.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Энтин З.Б., Сивков С.П. Проблемы технического регулирования и охраны окружающей среды при производстве цемента. Цемент и его применение. 2007. № 6. С. 118-120.
2. Минко В.А., Шаптала В.Г. Комплексное обеспыливание помещений при производстве цемента. Цемент. 1990. № 12. С. 15-17.
3. Федеральный закон Рф "Об охране атмосферного воздуха" № 96-ФЗ (в ред. От 4.05.1999).
4. Федеральный закон РФ "Об охране окружающей среды". №7 - ФЗ (в ред. от 19.07.2011).
5. Гигиенические нормативы "Предельно допустимые концентрации (ПДК) загрязняющих веществ атмосферном воздухе населенных мест" ГН 2.1.6.1338-02, от 21.05.2003 г. М.: Минздрав России, 2003. 61 с.
6. Постановление Правительства РФ от 02.03.2000 № 183 (в ред. от 15.02.2011) О нор-
мативах выбросов вредных (загрязняющих) веществ в атмосферный воздух и вредных физических воздействиях на него".
7. Банит Ф.Г., Мальгин А.Д. Пылеулавливание и очистка газов в промышлености строительных материалов. М.: Стройиздат, 1979. 351с.
8. Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий (ОНД-86). Л.: Гидрометеоиздат, 1987. 93 с.
9. СанПиН 2.2.1/2.1.1.1200-03. "Санитарно-защитные зоны и санитарная классификация предприятий, сооружений и иных объектов" в ред. от 9.09.2010.
10. Севостьянов В.С., Горлов А.С., Нечаев С.П., Перелыгин Д.Н. Рациональное проектирование энерго- и ресурсосберегающих процессов и комплексов тонкого и сверхтонкого измельчения материалов. Вестник БГТУ, 2005. № 11. С. 211-215.
11. Богданов В.С., Шаптала В.Г., Бажанова О.И. Технологическая аспирация цементных мельниц. Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2012. №3. С. 95-99.
12. Справочник по пыле- и золоулавливанию. М.И. Биргер, А.Ю. Вальдберг, Б.И. Мягков. Под общ. ред. А.А. Русанова. М.: Энерго-атомиздат, 1983. 312 с.
13. Вальдберг А.Ю., Кирсанова Н.С. Практическая реализация вероятностно-энергетического метода расчета центробежных пылеуловителей. Химическое и нефтегазовое машиностроение. 1994. № 9. С. 26-29.
14. Петров Б.А., Сидяков П.В. Обеспыливание технологических газов цементного производства. М.:Госстройиздат, 1965. 89 с.
15. Шаптала В.Г., Шаптала В.В. Метод расчета эффективности центробежных уловителей слипающихся пылей в производстве строительных материалов // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2014. №3. С. 58-62.
16. Серебрянский цементный завод вышел на проектную мощность. http://baselcement.ru/pressroom/news/news-96/html.
Shaptala V.V.
MODELING AND CALCULATION SYSTEMS OF CLEANING DUST EMISSIONS OF CEMENT PRODUCTION
The modeling and calculation of dust emission treatment systems of rotary kilns and cement mills, the regularities of the formation of dust pollution of surface air cement plants depending on the mode of operation and efficiency of the dust collection equipment.
Key words: cement production, dusty gas emissions, dust collection system, ground-level concentrations of dust, environmental requirements and standards.
