CC BY
155
One of the reasons of high sickness and death rate indexes now is heavy metals, specifically Pb and Mn.
Key words: environmental situation, environment, polluting, sickness, soils, heavy
metals.
Lyevkin N.D., Doctor of Technical Science, Docent, Head of Department, ecmon@mail.ru, Russia, Tula, State Educational Institution "Learning and Teaching Centre of Civil Defense and Emergency Situations of Tula region",
Bogdanov S.M., Post Graduate Student, ecology @tsu.tula.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Kozmenko N.V., Post Graduate Student, ecology @tsu.tula.ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.928.93
ПЫЛЕУЛАВЛИВАНИЕ И КЛАССИФИКАЦИЯ В ЦЕНТРОБЕЖНО-ИНЕРЦИОННЫХ АППАРАТАХ
К. М. Муратова, Я.В. Чистяков, А.А. Махнин
Перспективным направлением повышения эффективности работы сухих пылеулавливающих аппаратов является поддержание величины инерционной составляющей результирующей силы на протяжении всего пути движения газового потока внутри аппарата за счет последовательного изменения направлений движения и изменения сечений каналов восходящих и нисходящих потоков. Приведены представители нового поколения пылеулавливающих аппаратов.
Ключевые слова: центробежно-инерционный пылеуловитель, завихритель, пылеуловитель-классификатор, мелкодисперсная пыль.
На протяжении многих лет циклоны занимали прочное место среди наиболее распространенных в промышленности пылеуловителей. Наиболее серьезные недостатки циклонов - практически полная невозможность улавливания мелкодисперсных пылей (менее 10-20 мкм) и отсутствие по конструктивным соображениям способности к классификации выделенных из газового потока ценных полидисперсных твердых компонентов.
В конце прошлого века был сформулирован принцип совмещения в одном аппарате центробежной и инерционной сепарации мелкодисперсной пыли (< 20 мкм), при рабочих скоростях в 4-5 раз превышающих рабочие скорости в циклонах [1-3]. Проведенные лабораторные и опытные работы позволили [4-6] теоретически и экспериментально установить, что в центробежно-инерционном пылеуловителе процесс отделения
пыли происходит в результате взаимодействия в трех разных рабочих зонах: 1 - закрутка газопылевого потока; 2 - концентрирование пыли и формирование слоя твердой фазы на стенке корпуса под действием центробежной силы; 3 - разделение более инерционных твердых мелкодисперсных частиц твердой фазы и газового потока при его повороте на 180о (рис. 1).
Рис. 1. Геометрические параметры пылеуловителя ЦИП: 1 - зона закручивания потока , 2 - зона формирования слоя твердой фазы, 3 - вывод твердых частиц из сепарационной зоны
Одними из основных внутренних устройств пылеуловителя являются завихритель (поз. 4, рис. 2) и экран (поз. 5, рис. 2), обеспечивающих необходимые рабочие скорости во всех установленных зонах 1 - 3.
Рис. 2. Рабочие элементы внутреннего устройства пылеуловителя: 1 - зона закручивания потока, 2 - зона формирования слоя твердой фазы, 3 - зона вывода твердых частиц из сепарационной зоны, 4 - завихрительноеустройство, 5 - экран
Испытания пылеуловителя проводились на пыли монодисперсного
"5
состава синтетического моющего средства (5 =15 мкм, р = 500 кг/м ,
-5
концентрация в газовом потоке была неизменной и составляла 2,5 г/м , и полидисперсного состава пыли железооксидного пигмента (медийный размер частиц - 21,69 мкм, р = 3170 кг/м , начальная концентрация пыли была в пределах 0,78-1,2 г/м , скорость газового потока на входе в пылеуловитель находилась в пределах 16-17 м/с). Высота экрана, при проведении опытов изменялась в диапазоне от 50 до 250 мм, диаметр корпуса составлял 350 мм.
Согласно результатам опытов (рис. 3) была установлена оптимальная высота экрана - 175 мм, что соответствует соотношению высоты экрана к диаметру корпуса 0,5, при которой наблюдалась наиболее высокая эффективность разделения пылевоздушной смеси - 98,6 % по пыли синтетического моющего средства и 97,3 % по пыли железооксидного пигмента. Как видно из рис. 3, при длине экрана меньше этой величины или превышающей ее наблюдается снижение эффективности очистки.
К РФ 1
2
ж»
г
ПИП »0 1« М III »о пл ?Г1 »о
Рис. 3. Зависимость степени очистки газового потока ц (%) от высоты экрана центробежно-инерционного пылеуловителя Н (мм) для пыли синтетического моющего средства (1) и железооксидного
пигмента (2)
При дальнейших испытаниях на других материалах и диаметрах аппаратов, соотношения их к размерам экрана подтвердили полученный ранее результат [7-8].
На основе экспериментальных данных была сформулирована математическая модель течения газа в центробежно-инерционном сепараторе [9] с учетом двухфазности газодинамического потока, создана прикладная программа и проведены вычислительные эксперименты по исследованию протекающих процессов [10]. При этом были учтены некото-
рые особенности моделирования многофракционного состава запыленного воздуха.
Опыт [11-12] 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 сокращается объем трудоемких и дорогих натурных испытаний.
На основании экспериментов на лабораторных и опытных установках, а также экспериментов на созданной математической модели процесса сепарации мелкодисперсной пыли при совмещении в одном аппарате принципов центробежной и инерционной сепарации при повышенных скоростях получен и частично внедрен в промышленность ряд патентов [13-18].
С использованием математической модели и дополнительных экспериментальных данных при различных скоростях газа на входе не только доказали адекватность математической модели, но и уточнили некоторые аспекты физической модели процесса сепарации полидисперсной пыли в пылеуловителях-классификаторах, в которые запыленные газы подаются через завихрители и совершают внутри аппаратов сложное вращательно-поступательное движение, характеристики которого изучены еще недостаточно. В частности, на частицы, взвешенные в потоке внутри аппарата, действует сила инерции, которая стремится сместить их с криволинейных линий тока по касательным, направленным под некоторым углом вниз и к стенке корпуса. Частицы, соприкасающиеся с внутренней поверхностью стенки, под действием сил тяжести, инерции и опускающегося газового потока скользят в низ аппарата. В связи с этим большое значение имеет соотношение между скоростями вращательного и поступательного движений.
На первом этапе была проведена серия вычислительных экспериментов, в которой варьировалась скорость вращения запыленных газов. На рис. 4 представлен узел отбора фракции пыли расположенный на цилиндрической стенке аппарата [14].
Рис. 4. Схема движения потока в зоне разделения частиц
При малых угловых скоростях фракция крупной пыли не успевает достичь щелевого отверстия и при значительной скорости поступательно-
го движения (около 10 м/с) пролетает мимо отверстия. Фракция же мелкой пыли ведет себя примерно так же, как и окружающий её воздух, попадает в пылесборник, меняет направление движения и может оседать в нем.
На рис. 5 дана визуализация процесса разделения фракций 2 и 5 мкм пыли химически осажденного мела при угловой скорости потока в зоне разделения 2 об/с. Результаты свидетельствуют об очень низком уровне отделения крупной фракции пыли, в то время как фракция мелкой пыли уже задерживается в пылесборнике.
При увеличении скорости вращения потока наблюдается обратная картина. На рис. 6 показана картина сепарации при угловой скорости потока 20 об/с. Из представленных рисунков видно, что при более высокой угловой скорости потока степень отделения крупной фракции существенно повышается. При этих условиях 92 % крупных частиц отбирается из потока, и лишь 8 % частиц диаметром 5 мкм остается в запыленном потоке воздуха после прохождения зоны приемника крупной фракции.
На качество классификации пыли влияет также длина отверстия для отбора фракции, т.е. при проектировании сепаратора необходимо находить оптимальную длину отверстия фазоприемника и его расположение на стенке аппарата, кроме того требуется оптимизация и угла подъема направляющей потока перед зоной разделения.
Рис. 5. Визуализация процесса разделения фаз пыли химически осажденного мела при угловой скорости потока 2 об/с
Рис. 6. Визуализация процесса разделения фаз пыли химически осажденного мела при угловой скорости потока 20 об/с
Таким образом, меняя соотношение между скоростями вращательного и поступательного движений, можно варьировать порядок отбора фракций. Если целевой является мелкая фракция пыли, то скорость вращательного движения должна быть низкой, если - крупная, то скорость вращательного движения должна быть значительно выше. Следует отметить, что при прочих равных условиях более ценной, как правило, является более мелкая фракция пыли.
Адекватность численных экспериментов была подтверждена исследованиями, проведенными на опытно-промышленной установке, принципиальная схема которой и пылеуловитель представлены на рис. 7. Опыты проводились при скорости вращательного движения близкой к 2 об/с.
Подача загрязненного воздуха производится сверху пылеуловителя поз.3 через завихритель конструкции типа «Беличье колесо». Скорость воздуха на входе в пылеуловитель измерялась анемометром ручным индукционным АРИ-49 ГОСТ 7193-74. В качестве пыли использовались мелкодисперсные порошки из оксида хрома (Сг2О3) и железооксидного пигмента (Ф-2).
а б
Рис. 7. Принципиальная схема установки (а) и пылеуловитель (б): 1 - приемный бункер; 2 - боковой пылесборник; 3 - центробежно-инерционный пылеуловитель
Продолжительность опыта составляла ~ 30 мин; расход воздуха ~
-5
10 м /ч; дисперсность продуктов 1-10 мкм.
Количество фракций определялось весовым методом. Дисперсный состав пылевых фракций определялся микроскопическим методом исследования [19] и ГОСТ 23402-78 (микроскопический метод определения размеров частиц).
В таблице представлены результаты экспериментов.
Экспериментальные технические параметры
Номер опыта Скорость воздуха на входе, Увх, м/с Улав-лива-емая пыль Производительность установки, 0, м3/ч Запылённость, Свх, г/м3 Эффективность очистки, 5, %
1 8,925 Ф-2 2502,7 2,12 95,6
2 11,8 СГ2О3 1930 5,04 97,3
3 9,4 СГ2О3 2636 5,54 96,6
На рис. 8-10 представлен дисперсный состав исходной пыли и пыли в разных точках отбора пылеуловителя для опыта № 1.
Как видно из рис. 9, в бункере 1 дисперсный состав смещается в область более крупной пыли, в то время как в боковом пылесборнике 2 отбирается пыль значительно мельче (см. рис. 10), исходная пыль занимает промежуточное значение.
25
20
ч? 15
1С
<
о1 10
<
5
0
01 23456789 10 11 б, МКМ
Рис. 8. Дисперсный состав исходного пигмента Ф-2
Таким образом, показана принципиальная возможность путем изменения соотношения скоростей вращательного и поступательного движения запыленного воздуха отбирать пыль разных фракций в разных точках пылеуловителя- классификатора в любой очередности, что имеет большое значение для выделения фракций мелкодисперсной пыли, т.е. если целевой является мелкая фракция пыли, то скорость вращательного движения должна быть низкой, если - крупная, то скорость вращательного движения должна быть на порядок выше.
25
20
■у- 15
Ю
<
О 10
<
5
0
0123456789 10 11 б, МКМ
Рис. 9. Дисперсный состав пигмента Ф-2 в приемном бункере 1
01 23456789 10 11
б, МКМ
Рис. 10. Дисперсный состав пигмента Ф-2 в боковом пылесборнике 2
Отбор мелкодисперсной пыли в начале процесса пылеулавливания позволит получать более узкую фракцию такой пыли. Следует отметить, что при прочих равных условиях более ценной, как правило, является более мелкая фракция пыли. Отбор более крупной пыли на второй стадии позволит улучшить эффективность работы аппарата.
Список литературы
1. Применение нового высокоэффективного пылеуловителя для защиты воздушного бассейна /Н.И. Володин [и др.]// Тезисы докладов 2-й Международной научно-технической конференции "Высокие технологии в экологии". Воронеж, 1999. С.202-203.
2. Панков А.Н., Володин Н.И., Полунина О.Ю. Исследование процесса очистки газовых потоков от катализаторной пыли в новом пылеуловителе// Известия ТулГУ. Экология и безопасность жизнедеятельности. 1999.
3. Патент РФ № 2144416 Российская Федерация, МПК B01D47/06. Пылеуловитель / Э.М. Соколов, А.Н. Панков, О.Ю. Полунина, Н.И. Володин, А.Г. Хрупачев, О.К. Попов, О.М.Пискунов - Опубликован 20.01.2000 г.
4. Очистка газовых выбросов от мелкодисперсной пыли / Н.И. Володин [и др.]// Экология и промышленность России. 2001. С. 20-22.
5. Очистка газов от мелкодисперсной пыли / А.В. Подрезов [и др.]// Экология и промышленность России. 2004. С. 20-22.
6. Чистяков Я.В., Журавлева Ю.Н. Пыль, влияние на организм человека и современные способы борьбы с ней// Материалы Всероссийской конференции аспирантов и студентов по приоритетному направлению «Рациональное природопользование». Ярославль: ЯрГУ, 2005. С.226.
7. Чистяков Я.В. Высокоэффективный инерционный пылеуловитель// Сборник лучших студенческих научных работ городского конкурса «Ярославль на пороге тысячелетия». Ярославль, 2006. С. 99-104.
8. Чистяков Я.В. Высокоэффективная очистка промышленного воздуха от мелкодисперсной пыли// Сборник лучших студенческих научных работ городского конкурса «Ярославль на пороге тысячелетия». Ярославль. 2007, С.114-119.
9. Чистяков Я.В. Разработка и исследование опытной конструкции высокоэффективного пылеуловителя и основ математической модели газодинамического процесса сепарации мелкодисперсной пыли// Известия ТулГУ. Науки о Земле. 2011. Вып.1. С. 87.
10. Чистяков Я.В., Махнин А.А., Невский А.В. Разделение газопылевого потока в центробежно-инерционном пылеуловителе с позиций эколого-экономического подхода// Вестник МИТХТ. 2012. Т. 7. № 3.
11. Разработка пылеуловителей нового поколения/ Я.В. Чистяков [и др.]// Экология и промышленность России. 2013. С. 16-19.
12. Исследование процесса пылеулавливания в центробежно-инерционных аппаратах / Я.В. Чистяков [и др.]// Экология и промышленность России. 2013. С. 8-11.
13. Чистяков Я.В. Исследование и разработка пылеуловителей, обеспечивающих повышение эффективности очистки воздуха аспираци-онных систем дробильно-сортировочных комплексов карьеров: автореф. дис.... канд. техн. наук. 2012. 19 с.
14. Высокоскоростные центробежно-инерционные пылеуловители: монография / Э.М. Соколов [и др.]. Ярославль: Изд-во ЯГТУ, 2013. 128 с.
15. Патент РФ № 81092 Российская Федерация, МПК B 01 D 45/04. Устройство для улавливания и классификации пыли по фракциям / Н.И. Володин, В.К. Леонтьев, Д.Е. Смирнов, М.Е. Смирнов, А.В. Сугак, Я.В. Чистяков. // Опубл. 10.03.2009.
16. Патент РФ №85366 Ш(Россия), МПК B 04 С 5/08, В 07 B 7/08. Пылеуловитель-Классификатор / Я.В. Чистяков, А.В. Сугак, Н.И. Володин, Е.А. Сугак // Опубл. 10.09.2009.
17. Патент №2447923 РФ, МПК В0Ш 45/12. Пылеуловитель / Я.В. Чистяков, О.Н. Володина, А.Ю. Дубов, Л.А. Моисеева // Опубл. 20.04.2012. Бюл. №11.
18. Патент №111773 РФ, МПК В0Ю 45/12. Центробежно-инерционный пылеуловитель / Я.В. Чистяков, О.Н. Володина, А.Ю. Дубов, Л.А. Моисеева, А.А. Махнин // Опубл. 27.12.2011. Бюл. №36.
19. 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.
Муратова Ксения Михайловна, аспирантка, volodinni@)ystu. ru, Россия, Ярославль, Ярославский государственный технический университет,
Чистяков Ярослав Владимирович, канд. техн. наук, ст. преподаватель, yar00000@yandex.ru, Россия, Ярославль, Московский государственный университет путей сообщения, Ярославский филиал,
Махнин Александр Александрович, д-р техн. наук, проф., volodinni@)ystu.ru. Россия, Ярославль, Ярославский государственный технический университет
CENTRIFUGAL-INERTIAL DUST EXSTRACTORS FOR DRY AIR CLEANING K.M. Muratova, Y.V. Chistyakov, A.A. Makhnin
A promising way to improve the efficiency of dry-type dust extractors is the maintenance of inertial component value of resulting force over the whole way of gas flow inside the apparatus due to consecutive changes of flow direction and of channel sections of rising and down flows. Examples of dust extractors of new generation are presented.
Key words: centrifugal-inertial dust exstractor, swirler, dust exstractor and classifier, highly dispersed dust.
Muratova K.M., Post Graduate Student, volodinni@)ystu. ru, Russia, Yaroslavl, Yaroslavl State Technical University,
Chistyakov Y.V., Candidate of Science, Lecturer, yar00000@yandex. ru, Russia, Yaroslavl, Moscow State University of Communication lines, Yaroslavl Subdivision,
Makhnin A.A., Doctor of Science, Professor, volodinni@)ystu. ru, Russia, Yaroslavl, Yaroslavl State Technical University
УДК 622.012:331.45
ОЦЕНКА УРОВНЯ ПРОМЫШЛЕННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ НА ГОРНОДОБЫВАЮЩИХ ПРЕДПРИЯТИЯХ
Э.М. Соколов, Н.М. Качурин, И.П. Карначёв, Д.Н. Шкуратский
Изложены базовые методологические подходы к оценке уровня промышленной безопасности, основанные на применении статистических методов прогнозного моделирования показателей производственного травматизма. Использование алгоритмов теории надежности технических систем рассматривается на примере предприятий горнодобывающей промышленности, территориально расположенных, как в Центральном федеральном округе, так и на Кольском севере России.
Ключевые слова: промышленная безопасность, производственный травматизм, анализ, прогнозирование.
Как отмечается в отчёте, появившегося в ходе опыта реализации проектов по промышленной безопасности на австралийских горнодобывающих предприятиях, заметный прогресс в этой области был достигнут путем внедрения 12 практических возможностей (пунктов или позиций)
