CC BY
4
УДК 614.841.3
РАЗРАБОТКА И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ИНЕРЦИОННЫХ ПЫЛЕУЛОВИТЕЛЕЙ ДЛЯ ВЗРЫВОПОЖАРООПАСНЫХ ПРОИЗВОДСТВ
С. А. ВЕДЕРНИКОВ, Е. В. РОМАНЮК, Д. Н. РАССАДНИКОВ
Академия ГПС МЧС России, Российская Федерация, г. Москва E-mail: [email protected], [email protected], [email protected]
В статье обосновывается применение инерционных пылеуловителей для очистки пылегазовых потоков от горючей пыли на производствах пищевой, химической, текстильной, деревообрабатывающей и других отраслей. Рассматриваются новые конструкции пылеуловителей инерционного типа и их преимущества по сравнению с традиционными пылеосадительными камерами и циклонами. Принцип работы инерционных пылеуловителей связан с высокой вероятностью образования взрывоопасных концентраций в производственных системах аспирации, поэтому авторами предлагается новая конструкция инерционного пылеуловителя - многоступенчатый трубчатый пылеосадитель - позволяющий снизить пожарную опасность процесса и значительно повысить его эффективность. В пылеуловителе реализован принцип поэтапной очистки от пыли разной дисперсности. Кроме этого, в новой конструкции учтены особенности аэродинамики потока, что позволяет снизить аэродинамическое сопротивление в устройстве. Описаны экспериментальные исследования новой конструкции, позволяющие подтвердить эффективность применения устройства (95 % для пыли 10 мкм и 62 % для пыли менее 10 мкм). Получены данные по оптимальным параметрам разрабатываемого пылеулавливающего устройства. Внедрение новых инерционных пылеуловителей в производственные процессы позволит значительно снизить пожарную опасность на производстве, а также повысить эффективность очистки пылегазовых потоков.
Ключевые слова: пылеуловитель, производственная аспирационная система, пыль, горючая пыль, пожарная опасность, взрывопожарная опасность.
DEVELOPMENT AND APPLICATION OF INERTIAL DUST COLLECTORS FOR EXPLOSIVE AND FIRE-HAZARDOUS INDUSTRIES
S. V. VEDERNIKOV, E. V. ROMANYUK, D. N. RASSADNIKOV
Academy of the state service of EMERCOM of Russia Russian Federation, Moscow E-mail: [email protected], [email protected], [email protected]
The article substantiates the use of inertial dust collectors for cleaning dust and gas flows from combustible dust in the food, chemical, textile, woodworking and other industries. New designs of inertial type dust collectors and their advantages in comparison with traditional dust-settling chambers and cyclones are considered. The principle of operation of inertial dust collectors is associated with a high probability of formation of explosive concentrations in industrial aspiration systems, therefore, the authors propose a new design of an inertial dust collector - a multi-stage tubular dust collector - which allows to reduce the fire hazard of the process and significantly increase its efficiency. The dust collector implements the principle of step-by-step cleaning of dust of different dispersion. In addition, the new design takes into account the features of the flow aerodynamics, which reduces the aerodynamic drag in the device. Experimental studies of the new design are described to confirm the effectiveness of the device (95 % for dust of 10 microns and 62 % for dust less than 10 microns). Data on the optimal parameters of the developed dust collecting device were obtained. The introduction of new inertial dust collectors into production processes will significantly reduce the fire hazard in production, as well as increase the efficiency of cleaning dust and gas flows.
Key words: dust collector, industrial aspiration system, dust, combustible dust, fire hazard, explosion hazard.
© Ведерников С. А., Романюк Е. В., Рассадников Д. Н., 2023
Горючая производственная пыль представляет собой одну из наиболее распространенных причин возникновения пожаров на промышленных предприятиях. По данным сайта Dust Safety Science в 2021 году в мире произошло 57 «пылевых» пожаров и 30 взрывов, жертвами которых стали 64 человека. Высокой взрывопожароопасностью, связанной с обращением горючей пыли, характеризуются химическое, полимерное, лакокрасочное, деревообрабатывающее, текстильное производство. На разработку мероприятий по предупреждению пылевых пожаров и взрывов на таких производствах направлены требования 48-ой статьи Федерального закона № 123-Ф3 от 22.07.2008 «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности». Техническим средством реализации данных требований является разработка и использование производственных аспирационных систем. В данных системах создаются условия для накопления пыли и обращения ее в виде пылевоздушной среды, поэтому особое внимание следует уделить вопросам их проектирования и эксплуатации.
Необходимым компонентом производственной аспирационной системы является устройство очистки от пыли, т.к. выброс неочищенных аспирационных потоков в атмосферу запрещен. Сегодня существует большой ассортимент пылеуловителей, отличающихся принципом работы, эффективностью и ресур-соемкостью. Выбор типа пылеулавливающего устройства зависит от физико-химических характеристик потока, в том числе взрывопожа-роопасных характеристик пыли. При проектировании систем аспирации руководствуются в том числе принципами экономичности, поэтому устройство должно быть простым по конструкции и обладать низкой ресурсоемкостью.
Одними из самых простых в изготовлении и эксплуатации являются инерционные пылеуловители (циклоны, пылеосадительные и вихревые камеры), использующие принцип отделения частиц пыли от потока под действием сил инерции. В таких пылеуловителях газовый поток с пылью вводится в устройство и турбу-лизируется за счет создания искусственных преград или центробежной силы.
Эффективность инерционных пылеуловителей зависит от нескольких факторов, таких как скорость газового потока, размер и плотность частиц, а также характеристики устройства. В целом диапазон улавливаемых
1GESTIS-DUST-EX Database Combustion and explosion characteristics of dusts. [Электронный ресурс] -URL: https://gestis-database.dguv.de/data?name= 008100 (дата обращения 15.08.2023).
частиц - диаметром от 10 и более микрометров.
Инерционные пылеуловители широко используются в различных отраслях промышленности чаще всего в качестве первой ступени систем очистки от пыли, обладают преимуществами, такими как отсутствие движущихся частей (что уменьшает износ и требования к обслуживанию) и высокая эффективность в отношении крупных частиц.
Инерционное пылеулавливание оптимально с точки зрения энергосбережения, однако следует увеличить его эффективность и понизить пожарную опасность. Это возможно путем увеличения количества преград в конструкции устройства. Примерами могут быть лабиринтовый пылеуловитель или циклон-сепаратор, трубчатый пылеосадитель — рис. 1 [6]. Инерционные пылеуловители нового поколения представляют собой инновационное решение, способное существенно снизить риск пожаров и взрывов на производстве путем дополнительного осаждения пыли различной дисперсности [3-5].
Усложнение конструкции в этих пылеуловителях приводит к повышению гидравлического сопротивления, поэтому важно сбалансировать устройство по эффективности и общему перепаду давлений на нем.
С учетом всех преимуществ и недостатков инерционных пылеуловителей был разработан многоступенчатый трубчатый пылеуловитель (МТП) - рис. 2 [7], состоящий из цилиндроконического корпуса 2, соосно соединенных с ним входным (1) и выходным (15) патрубками, перегородок перфорированных отверстиями и соединенных трубками попарно. Каждая пара образует отдельную кассету.
Первая по ходу пылегазового потока кассета имеет трубки наибольшего диаметра и в ней улавливается низкодисперсная пыль, вторая - трубки меньшего диаметра для улавливания пыли средней дисперсности и третья -трубки наименьшего диаметра для улавливания высокодисперсной пыли.
Запыленный газ поступает в корпус устройства 2 через нижний входной патрубок 1, подымается по трубкам 11, 12, 13, 14, закрепленными в перфорированных дисках 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10. Благодаря расположению трубок, укрепленных в каждой последующей паре перфорированных дисков, запыленный поток изгибается, частицы пыли активно соударяются со стенками трубок и друг с другом, коагулируют и оседают. Очистка от низкодисперсной пыли происходит в трубках, закрепленных в 3-ей и 4-ой перфорированных перегородках, более высокодисперсной - в трубках, закрепленных в 5-ой и 6-ой перфорированных перегородках, еще более высокодисперсной —
в трубках, закрепленных в 7-ой и 8-ой перфо- 10-ой перфорированных перегородках. После
рированных перегородках, самой высоко- чего очищенный воздух выходит через верхний
дисперсной - в трубках, закрепленных в 9-ой и выходной патрубок 15.
Рис. 1. Инерционные пылеуловители с повышенной эффективностью: а - лабиринтовый пылеуловитель; б - циклон-сепаратор: 1 - продольные щели; 2 - коническое днище; 3 - патрубок ввода запыленного газа; 4 - выхлопная труба; 5 - корпус; 6 - коническое днище циклона; 7 - патрубок для удаления пыли; 8 - зазор. в - трубчатый пылеосадитель: 1 - патрубок выхода очищенного воздуха; 2 - корпус цилиндроконический; 3, 5 - перфорированные перегородки; 4, 6, 7, 8 - трубки; 9 - вход запыленного воздуха.
Рис. 2. Многоступенчатый трубчатый пылеуловитель: 1 - патрубок ввода запыленного воздуха; 2 - корпус; 3-10 - перфорированные пластины; 11-14 - трубки, соединяющие перфорированные пластины; 15 - патрубок выхода очищенного воздуха.
Рис. 3. Экспериментальный стенд для исследования работы трубчатого пылеосадителя: а - общий вид; б - схема: 1 - входной патрубок; 2 - пылегенератор; 3 - вентилятор; 4 - датчик концентрации на входе в пылеосадитель; 5 - датчик давления на входе в пылеосадитель; 6 - патрубок удаления осажденной пыли; 7, 8 - перфорированные перегородки первой ступени очистки; 9, 10 - перфорированные перегородки второй ступени; 11, 12 - перфорированные перегородки третьей ступени; 13 - трубки первой ступени;
14 - трубки второй ступени; 15 - трубки третьей ступени; 16 - датчик давления на выходе из пылеосадителя; 17 - датчик концентрации на выходе из пылеосадителя;
18 - вентилятор; 19 - емкость для осажденной пыли; 20 - преобразователь интерфейса системы мониторинга параметров процесса; 21 - ПК
Указанная конструкция позволяет реализовать многоступенчатую очистку в одном аппарате, улучшить аэродинамику потока за счет постепенного сужения каналов трубок и снизить пожарную опасность за счет преобладания осажденной пыли над взвихрившейся.
Для экспериментального исследования работы трубчатого пылеосадителя был разработан лабораторный стенд, общий вид которого приведен на рис. 3а, общая схема - рис. 3б.
Для оценки эффективности работы пылеуловителя использовали датчики концентрации 4. 17, установленные до и после пылеуловителя. Эффективность определяли по формуле Э=(2г22)/2-|, где Т.2 — концентрация пыли до и после пылеосадителя. Для измерения концентрации применяли оптические датчики пыли Ои-3.
Для оценки аэродинамического сопротивления использовали общий перепад давлений, определяемый как разность показаний датчиков давления 5 и 16 до и после МТП. Для измерения давления применяли датчики абсолютного давления 415-ДИВ, установленные до и после МТП. Для экспериментов использовали мучную пыль, дисперсность которой составляет от 0 до 50 мкм. Пылегазовый поток создавали путем подачи муки в воздушный поток через пылегенератор 2. Скорость потока воздуха составляла порядка 10-12 м/с. Концентрация пыли приблизительно составляла 10 г/м3. Данные с датчиков давления и концентрации поступали через преобразователь 20 на компьютер 21, где обрабатывались с помощью специально разработанного программного обеспечения и выводились на экран в таб-
личной форме. Результаты улавливания мучной пыли представлены на рис. 4.
Для выбора оптимальных геометрических параметров пылеосадителя проводили эксперименты с различным диаметром трубок (0,006; 0,007; 0,008 и 0,01 м), а также с различной высотой трубок. Для экспериментов использовали кассеты, в которых на каждой ступени были закреплены 58 трубок.
Для определения параметров кассет на каждой ступени очистки проводили эксперименты с разным диаметром трубок, укрепленных в кассете, а также с разной длиной трубок. Результаты экспериментов приведены на рис. 5 в виде диаграмм зависимостей общего перепада давлений от диаметра трубок и эффективности от диаметра трубок.
45 £ 40
35 30
X
CD Ц
СО
5 25
f 20
CD
6 15
3" ю О
10 5 0
0,006
0,007 0,008
Диаметр трубок, м
0,01
Рис. 4. Вид кассеты после пропускания пылегазового потока
Рис. 5. Диаграммы зависимостей общего перепада давлений и эффективности от диаметра трубок.
SP öS
■О I-
<J
0
1 m 5
I*
m
110 100 90 80 70 60 50 40 30 20
более 50 м 10-50 мкм м
менее 10 м км
0,005 0,006 0,007 0,008 0,009
Диаметр трубки , м
0,01
0,011
Рис. 6. Зависимость эффективности от диаметра трубок для частиц дисперсностью более 50 мкм, в интервале от 10 до 50 мкм и менее 10 мкм.
При анализе эффективности различных конфигураций кассет в пылеосадителе с использованием диаметра трубок с размером 0,01 м было установлено, что данная конфигурация проявила достаточную эффективность в улавливании частиц с дисперсностью более 50 мкм, создавая при этом небольшое по сравнению с остальными диаметрами трубок сопротивление. Это является оптимальным соотношением для первой ступени очистки многоступенчатого трубчатого пылеосадителя. С уменьшением диаметра эффективность очистки от пыли меньшей дисперсности растет по сравнению с диаметром 0,01 м. Это говорит о том, что применение трубок меньшего диаметра даст эффект ступенчатой очистки от пыли более мелких фракций, при этом резкий рост общего перепада давления будет сглажен в МТП, так как крупные частицы будут уловлены в первой по ходу кассете (с диаметром трубок 0,01 м.)
Экстремум на графике зависимости эффективности от диаметра на рис. 6 свидетельствует об отсутствии необходимости дальнейшего уменьшения диаметра, т.к. для трубок диаметром менее 0,007 м происходит быстрое забивание с последующим опадением осадка (снижение эффективности). В многоступенчатом пылеуловителе такой эффект приведет к быстрому забиванию первых двух ступеней (кассеты с диметром 0,01 и менее вплоть до рассматриваемой). Данный эффект позволяет спроектировать МТП с вы-
сокой инженерной точностью, так как становится очевидным, когда уменьшение диаметра трубок не дает необходимый эффект повышения эффективности.
Представленные результаты подтверждают возможность реализации принципа многоступенчатой очистки пылегазового потока в разработанном пылеуловителе, где очистка от пыли дисперсностью более 10 мкм будет происходить в первой кассете с диаметром трубок 0,01 м, очистка от пыли в интервале от 10 до 50 мкм - в кассете диаметром 0,008 м и очистка от пыли менее 10 мкм - в последней кассете с диаметром трубок 0,006 м. Дополнительно пылеосаждающий эффект создается за счет силы тяжести, действующей на укрупненные частицы в камерах между кассетами.
Интенсивное соударение и укрупнение приводит к переводу пыли из состояния аэровзвеси в состояние аэрогеля, что снижает пожарную опасность процесса очистки. Конструкция также способствует увеличению ресурса работы трубчатого пылеуловителя за счет реализации поэтапной очистки воздуха в трубках разного диаметра снизу вверх: пыле-осадитель не забивается и легко регенерируется.
Таким образом, многоступенчатый трубчатый пылеуловитель может быть эффективным, экономически выгодным и безопасным решением вопроса очистки потока от пыли на предприятиях, на которых образуется и обращается горючая пыль.
Список литературы
1. Патент 2226128 Российская Федерация МПК7 B 04 C 5/08, B 04 C 5/10. Циклон-сепаратор / Е. В. Асмолова, А. П. Зотов, Ю. В. Красовицкий [и др.]; опубл. 27.03.04, Бюл. № 17.
2. Патент на изобретение 2042395 Российская Федерация МПК B 01D 45/08. Лабиринтовый пылеуловитель / Е. М. Пузырев, С. М. Кисляк; опубл.: 27.08.1995.
3. Романюк Е. В., Каргашилов Д. В., Федоров А. В. Совершенствование конструкции циклонов для повышения эффективности пылеулавливания // Экологические проблемы промышленных городов: сборник научных трудов по материалам 9-й Международной научно-практической конференции, Саратов: Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю. А., 2019. С. 404-406.
4. Калиев О. С., Романюк Е. В. Регулируемый трубчатый пылеосадитель // Системы безопасности: материалы международной научно-технической конференции. М.: ФГБОУ
ВО Академия ГПС МЧС России, 2022. С. 461463.
5. Калиев О. С., Романюк Е. В. Регулируемый трубчатый пылеосадитель // Экологический мониторинг опасных промышленных объектов: современные достижения, перспективы и обеспечение экологической безопасности населения: сборник научных трудов IV Всероссийской научно-практической конференции, в рамках IV Всероссийского научно-общественного форума «Экологический форсайт». Саратов, Общество с ограниченной ответственностью «Амирит», 2022. С. 96-98.
6. Ведерников С. А., Романюк Е. В. Инерционные пылеуловители с пониженной пожарной // Актуальные вопросы совершенствования инженерных систем обеспечения пожарной безопасности объектов: сборник материалов X всероссийской научно-практической конференции. Иваново: ФГБОУ ВО Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России, 2023. С. 107-109.
References
1. Asmolova E. V., Zotov A. P., Krasovit-sky Yu. V. [et al.]. Tsiklon-separator [Cyclone separator], Patent 2226128 Rossiyskaya Feder-atsiya IPC 7 B 04 C 5/08, B 04 C5/10, opubl. 27.03.04, Byul. № 17.
2. Puzyrev E. M., Kislyak S. M. Labi-rintovyy pyleulovitel' [Labyrinth dust collector], Patent na izobreteniye 2042395 Rossiyskaya Federatsiya IPC B 01D 45/08, opubl. 27.08.1995.
3. Romanyuk E. V., Kargashilov D. V., Fe-dorov A. V. Sovershenstvovaniye konstruktsii tsi-klonov dlya povysheniya effektivnosti pyleu-lavlivaniya [Improving the design of cyclones to increase the efficiency of dust collection]. Ekologicheskie problemy promyshlennyh gorodov: sbornik nauchnyh trudov po materialam 9-j Mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konfer-encii, Saratov, Saratovskiy gosudarstvennyy tekhnicheskiy universitet imeni Gagarina Yu. A. 2019, pp. 404-406.
4. Kaliev O. S., Romanyuk E. V. [Adjustable tubular dust collector]. Sistemy bezopasnosti: materialy mezhdunarodnoj nauchno-tekhnicheskoj
konferencii, Moscow, FGBOU VO Akademiya GPS MCHS Rossii, 2022. Pp. 461-463.
5. Kaliev O. S., Romanyuk E. V. Reguliru-yemyy trubchatyy pyleosaditel' [Adjustable tubular dust collector]. Ekologicheskij monitoring opasnyh promyshlennyh ob"ektov: sovremennye dosti-zheniya, perspektivy i obespechenie ekologicheskoj bezopasnosti naseleniya: sbornik nauchnyh trudov IV Vserossijskoj nauchno-prakticheskoj konferencii, v ramkah IV Vse-rossijskogo nauchno-obshchestvennogo foruma «Ekologicheskij forsajt». Saratov, Obshchestvo s ogranichennoj otvetstvennost'yu «Amirit», 2022. Pp. 96-98.
6. Vedernikov S. A., Romanyuk E. V. In-ertsionnyye pyleuloviteli s ponizhennoy pozharnoy opasnost'yu [Inertial dust collectors with reduced fire hazard]. Aktual'nye voprosy sovershenstvo-vaniya inzhenernyh sistem obespecheniya pozharnoj bezopasnosti ob"ektov: sbornik materi-alov X vserossiyskoy nauchno-prakticheskoy kon-ferentsii. Ivanovo: FGBOU VO Ivanovskaya pozharno-spasatel'naya akademiya GPS MCHS Rossii, 2023. Pp. 107-109.
Ведерников Сергей Алексеевич Академия ГПС МЧС России Российская Федерация, Москва
адъюнкт факультета подготовки научно-педагогических кадров
E-mail: [email protected]
Vedernikov Sergey Alekseevich
Academy of the state service of EMERCOM of Russia
Russian Federation, Moscow
Adjunct of the Faculty of training of scientific and pedagogical personnel E-mail: [email protected]
Романюк Елена Васильевна Академия ГПС МЧС России Российская Федерация, Москва доктор технических наук, доцент
доцент кафедры пожарной безопасности технологических процессов E-mail: [email protected] Romanyuk Elena Vasilyevna
Academy of the state service of EMERCOM of Russia
Russian Federation, Moscow
Doctor of Technical Sciences, associate professor
Associate Professor of the Department of Fire Safety of Technological Processes E-mail: [email protected]
Рассадников Дмитрий Николаевич Академия ГПС МЧС России Российская Федерация, Москва
адъюнкт факультета подготовки научно-педагогических кадров
E-mail: [email protected]
Rassadnikov Dmitry Nikolaevich
Academy of the state service of EMERCOM of Russia
Russian Federation, Moscow
Adjunct of the Faculty of training of scientific and pedagogical personnel E-mail: [email protected]
