CC BY
9УДК 628.511:664.7
М.А. КАЛИТИНА1, канд. техн. наук (mkalitina@bk.ru), А.В. КАЗЬМИНА1, канд. пед. наук; О.А. МАТВЕЕВА2, канд. техн. наук, Т.А. МАЗИКОВА2, инженер
1 Российский государственный социальный университет (129226, Москва, ул. Вильгельма Пика, 4, стр. 1)
2 Военная академия ракетных войск стратегического назначения им. Петра Великого (109074, Москва, Китайгородский проезд, д. 9)
Выбор решения для улавливания и утилизации пылевых выбросов
Исследованы характеристики фильтровальных материалов из металлических тканей, металлокерамической фольги и фетра из металлических волокон, полиэстровой ткани с ПЭТФ мембраной MikroTEX, перфорированной металлической фольги для пылеулавливания в производстве строительных материалов. Приведен анализ влияния физико-механических свойств и структуры фильтровальных материалов на эффективность процесса фильтрования и степень очистки пылегазового потока. Представлены результаты исследования гидравлических и фильтрационных свойств фильтровальных материалов, определена эффективность их динамической регенерации. Получены расчетные зависимости для оценки и прогнозирования важнейших эксплуатационных параметров фильтров. Рассмотрены достоинства и недостатки фильтровальных материалов, обоснована целесообразность применения металлокерамической фольги для очистки выбросов от пыли.
Ключевые слова: экология, пылеулавливание; фильтровальный материал; гидравлическое сопротивление; регенерирующая способность.
M.A. KALITINA1, Candidate of Sciences (Engineering) (mkalitina@bk.ru), A.V. KAZ'MINA1, Candidate of Sciences (Pedagogy), O.A. MATVEEVA2, Candidate of Sciences (Engineering), T.A. MAZIKOVA2, Engineer
1 Russian State Social University ( 4, building 1, Wilhelm Pieck Street, 129226, Moscow, Russian Federation)
2 Peter the Great Military Academy of Strategic Rocket Forces (9, Kitaygorodskiy proezd Moscow, 109074, Russian Federation)
Choice of Solution for Capturing and Utilizing Dust Emissions
Characteristics of filtering materials made of metallic fabrics, metal-ceramic foil, metal fiber felt, polyether fabric with MikroTEX PTFE membrane, perforated metal foil for dust capturing at producing building materials have been studied. Results of the study of hydraulic and filtration properties of filtering materials are presented; efficiency of their dynamic regeneration is determined. The calculated dependences for assessing and forecasting the most important operation parameters of filters are obtained. Advantages and disadvantages of filtering materials are considered; the expediency of using metal-ceramic foil to clean emissions from dust is substantiated. Keywords: ecology, dust capturing, filtering material, hydraulic resistance, regenerating ability.
Производство строительных материалов представляет собой сложный технологический процесс, связанный с превращением сырья в разные состояния с различными физико-механическими свойствами, а также с использованием разнообразной степени сложности технологического оборудования и вспомогательных механизмов. Во многих случаях эти процессы, как показывает медико-экологический мониторинг, сопровождаются выделением большого количества полидисперсной пыли, вредных газов и других загрязнений [1].
По объему пылегазовых выбросов производство стройматериалов устойчиво занимает одиннадцатое место, уступая лишь энергетике, металлургии, нефтепереработке и газовой промышленности.
На территориях, примыкающих к заводам, производящим конструкционные огнеупоры и техническую керамику, годовой осадок пыли достигает 7 кг/м2, а размеры частиц колеблются от 0,01 до 1 мкм, что наиболее опасно для органов дыхания.
Многие пылеулавливающие установки не обеспечивают проектных показателей эффективности пылеулавливания. Причины неудовлетворительной работы газоочистных сооружений следующие: отклонение режима работы технологического агрегата от предусмотренного при проектировании системы газоочистки (изменение объема отходящих газов, их влажности, температуры); неудовлетворительное качество изготовления пылеулавливающего оборудования; недостаточная квалификация персонала и слабое внимание руководства к вопросам санитарной очистки отходящих газов [2—4].
Основной задачей в решении проблемы пылеулавливания методом фильтрования является подбор фильтровального материала. При очистке сухих газов от пы-лей с высоким электрическим сопротивлением, напри-
мер в производстве изделий строительной керамики, фильтровальные ткани из синтетических и стеклянных волокон могут электризоваться. Для защиты от электризации в ткани вплетают тонкие металлические проволочки или пропитывают их антистатическими электропроводящими составами. Уместно отметить, что использование в этих условиях фильтрующих материалов из пористых металлов полностью устраняет эту опасность, делает практически неограниченным срок службы фильтрующих элементов, резко упрощает их регенерацию и повышает эффективность пылеулавливания [2, 5]. Важными показателями, характеризующими работу фильтра, являются: достаточно полное улавливание пыли при умеренном гидравлическом сопротивлении и удовлетворительная долговечность материала в рабочих условиях; химическое сопротивление среде и хорошая регенерируемость [6].
Для сравнительной оценки гидравлических и фильтрационных свойств были исследованы следующие материалы: металлические ткани С120 (ГОСТ 3187—76 «Сетки проволочные тканые фильтровые. Технические условия»), Bekipor фирмы Bekaert (Бельгия), металлоке-рамическая фольга - ФНС-5 (ЧМТУ-892-79), фетр из металлических волокон МФ (ТУ 14-1-2173-77), поли-эстровая ткань с ПЭТФ мембраной MikroTEX фирмы BHA (Германия — США), перфорированная металлическая фольга ПФ фирмы HEIN, LEHMANN AG (Германия). Данные материалы, по мнению авторов, являются перспективными для применения в промышленности строительных материалов. Образцы исследуемых фильтровальных материалов показаны на рис. 1.
Подбор фильтровальных материалов осуществлялся в соответствии со следующими условиями: наличие субмикронных частиц; пыль сильнослипающаяся; повы-
Рис. 1. Экспериментальные материалы: а - С120; б - ФНС-5; в - ПФ; г - МФ
шенная влажность; частое включение/выключение фильтров [7].
В качестве пылегазового потока выбран аэрозоль с пылью керамического производства. Параметры логарифмически нормального распределения — медианный диаметр а?ш=3,75 мкм, среднее квадратичное отклонение ^о=0,36.
В программу экспериментов входила оценка гидравлических и фильтрационных свойств материалов, а также определение эффективности динамической регенерации.
Фильтровальная металлическая ткань С120 (рис. 2) представляет собой материал с определенным видом переплетения нитей (пряжи), скрученных из непрерывных волокон диаметром от 60 до 100—200 мкм, размер сквозных пор между нитями утка и основы достигает 50—80 мкм.
При низких входных концентрациях пыли процесс образования слоя занимает много времени, поэтому лучшие результаты достигаются при очистке газов с высокой запыленностью. При этом накопленный слой пыли при регенерации не распыляется в газе, а разрушается, образуя крупные агрегаты.
Металлическая ткань ВеИрог имеет более плотное плетение и сформирована из более тонких волокон диаметром от 6 до 20—30 мкм.
Фетр из металлических волокон МФ (рис. 3) представляет собой плотные слои беспорядочно перепутанных штапельных волокон, равномерно распределенных в объеме и обладающих высокой устойчивостью к многократным изгибам. Диаметр волокон 20—30 мкм. Материал
Рис. 2. Микрофотография материала С120
Рис. 3. Микрофотография материала МФ
имеет рыхлую структуру. Процесс фильтрования протекает в объеме материала (глубинная фильтрация).
Металлокерамическая фольга ФНС-5 (рис. 4) изготовлена из несферических частиц порошка, образующих жесткую пространственную решетку с заданным размером пор необходимой длины.
Фильтровальные перегородки, изготовленные из несферического порошка, имеют ряд положительных свойств. Основное их преимущество состоит в повышенной механической прочности за счет лучшего контакта частичек неправильной формы с разветвленной поверхностью по сравнению с точечным контактом сферических порошков, имеющих гладкую поверхность. Высокая механическая прочность фильтровальных перегородок из несферических порошков позволяет использовать их в виде тонкостенных фильтрующих перегородок с достаточно высокой степенью очистки.
В перфорированной металлической фольге ПФ (рис. 5) формообразование отверстий происходит при фотоэлектрохимической обработке тонколистового металла. При этом получается гладкая поверхность и пониженная адгезионная способность данного материала.
В отличие от фетровых или тканевых фильтровальных материалов выделение пыли на перфорированной металлической фольге происходит не в толще материала (глубинная фильтрация), а исключительно на поверхности фольги (поверхностная фильтрация). Для этого вида выделения пыли наряду с характеристиками пылегазового потока на степень очистки в значительной степени влияют диаметр и форма отверстий, а также расстояние между отверстиями.
Фильтровальный материал МгкгоТЕХ представляет собой поли-эстровую ткань с ультратонким мембранным слоем (диаметр волокон 0,5—1 мкм) структурированного политетрафторэтилена (ПЭТФ). Нанесение мембранного слоя (рис. 6) осуществляется методом импрегниро-вания (пропиткой ткани суспензией пластизоля с последующей полимеризацией).
Рис. 4. Микрофотография материала ФНС-5 Рис. 5. Микрофотография материала ПФ
Рис. 6. Микрофотография ПЭТФ мембраны
научно-технический и производственный журнал £J\±Jг\i>\'::
~78 май 2015 Ь^ШШ'
ДР, Па 6000
5000
4000
3000
2000
1000
0
ФНС Ф Bekipor -&
■ C120 ПФ i MicroTEX
А |
о L^,——'
/о ,__
. . . . 1 . . . . . . .
5
25
30
10 15 20
д, м3/(м2-мт)
Рис. 7. Зависимость гидравлических свойств различных фильтровальных материалов от газовой нагрузки
Сост, Мг/м3 1000
100
'z^J—......... 5 1 - ФНС 2 - Bekipor 3 - C120 4 - ПФ 5 - MicroTEX 6 - МФ '«.■и......(мк
"*"*----------- \2_ 6 г
------...— пдк
^ Ulli пи1 |-f 4 ■ ■ Г~ ' . I т - I; • " •... ^чои,-™ 3 cU3 раязавЕтц^. (
20
40 60
Число циклов
80
100
Рис. 8. Изменение остаточной запыленности различных фильтровальных материалов в процессе эксплуатации
10
0
450 400 350 300 250 200 150 100 50 0
/
/ f 7 / /
1 1 /
/ I 1 1
I /
/ / / /
1 f / / /
) / / / /
1/ 1/ /
450
400
350
300
м
м, 250
е,
200
со 150
100
50
0
* т
Г / г 1
/ 1 1
1
/ /
f / 1 1
/ 1
/ н
8 10 12 Время, мин
20
8 10 12 Время, мин
14 16 18
20
б
а
2
4
6
14
16
18
2
4
6
Время, мин Время, мин
д 600 500 и 400
CQ
3
0 300 ф
1 200 100
0
8 10 12 Время, мин
14 16 18
20
е
120 100
Ü 80 а
0 60 ф
1 40 ч
20 0
л f
1 1 / / ■ /
J 1 / г /
/ / / V /
/
10 12
Время, мин
16 18
Рис. 9. Фрагмент зависимости ДР=^(т): а - для ВеМрог; б - для М1кгоТЕХ; в - для С120; г-для МФ; д - для ФНС-5; е - для ПФ
2
4
6
2
4
6
8
14
20
Прей %
ПФ
Рис. 10.
вальных
Бейрог
С120
МФ
ФНС
МюгоТБХ
Зависимость степени регенерируемости различных фильтро-материалов
Полиэстровое (лавсановое) волокно эластично, устойчиво к истиранию, слипанию и изгибу. В кислых средах стойкость лавсановых волокон относительно высокая, в щелочных средах прочность лавсана значительно снижается. Лавсановые волокна устойчивы к воздействию микроогранизмов, ткани из них не плесневеют, устойчивы к действию света, но очень чувствительны к резким колебаниям влажности. Лавсановые фильтровальные ткани при длительной эксплуатации выдерживают температуру 130оС.
Политетрафторэтиленовые (тефлоновые) волокна отличаются высокой химической стойкостью, превосходящей все известные материалы, устойчивы к изгибу и трению. Под действием больших механических нагрузок материал из тефлона вытягивается — «течет». Тефлоновые ткани могут выдерживать температуру до 230оС.
Микропористая мембрана из импрегнированного политетрафторэтилена гарантирует высокую степень пылеотделения субмикронных частиц.
Аэродинамические свойства чистых фильтровальных тканей характеризуются воздухопроницаемостью — перепадом давления при определенном расходе воздуха или удельной газовой нагрузке. На рис. 7 представлена зависимость, полученная для испытуемых образцов.
Наибольшей проницаемостью обладают тканевые материалы. Металлокерамическая фольга ФНС-5 отличается повышенным гидравлическим сопротивлением. Характеристика изменения гидравлического сопротивления имеет линейный вид АР=kqп, где АР — перепад давления, Па; q — газовая нагрузка, м3/(м2-мин); к — безразмерный коэффициент; п=1 — показатель степени. Это характерно для ламинарного режима течения газа сквозь фильтрующую перегородку. Несколько отличается гидродинамическая характеристика перфорированной фольги, которая в области высоких скоростей переходит в квадратичную зону, характерную для развитого турбулентного режима. По нашему мнению, это происходит из-за острых кромок отверстий данного фильтровального материала.
К основным характеристикам пылеулавливающего оборудования наряду с гидравлическим сопротивлением относится степень очистки воздуха от пыли (эффективность), которую можно определить, зная концентрацию пыли в воздухе до и после очистки (соответственно 1вх, £вых, мг/м3) [7]. Если не происходит подсоса воздуха в аппарате, эффективность очистки определяют по формуле:
П = (1- ¿выхАвх)'100.
По мнению авторов, величиной, характеризующей работу фильтров и определяющей выбор фильтровального материала, должна служить остаточная концентрация пыли — величина, подвергающаяся контролю соответствующими природоохранными органами.
На рис. 8 приведены сравнительные данные по остаточной запыленности испытуемых материалов при чередовании циклов фильтрации и регенерации. Причем за пороговый уровень взято значение предельно допустимой концентрации (ПДК) — 4 мг/м3.
Наилучшие результаты были получены при испытании металлокерамического материала ФНС-5 и ткани с ПЭТФ мембраной, которые обеспечивают запыленность на выбросе газа не выше значения ПДК. Пылевые выбросы в потоке газа после его прохождения через фильтровальную ткань ВеИрог составляют 10—30 мг/м3, что следует признать удовлетворительным. Остаточная концентрация у остальных материалов была на уровне 60—150 мг/м3, что является отрицательным. Кроме того, при регенерации металлического фетра и перфорированной фольги ПФ происходил выброс пыли на сторону чистого газа.
Характер изменения гидравлического сопротивления слоя АР от продолжительности процесса фильтрования т показан на рис. 9 (фрагменты зависимостей АР =/(т)). Зависимости, представленные на рис. 9, справедливы для реальной пыли промышленного производства при изменении сопротивления фильтра в области АР=0,5-5 кПа.
Анализ изменения гидравлического сопротивления фильтровального материала от времени показывает, что рост происходит по экспоненциальному закону (Родионов А.И., Систер В.Г., Клушин В.Н. Технологические процессы экологической безопасности. Калуга: Н. Боч-каревой, 2000. 800 с.).
После определенного периода (от нескольких десятков до нескольких сотен часов в зависимости от условий эксплуатации) работы фильтра с чередованием циклов фильтрации и регенерации остаточное количество пыли в ткани стабилизируется и соответствует так называемому равновесному пылесодержанию ткани и остаточному сопротивлению равновесно запыленной ткани. Значения этих величин зависят от типа фильтрующего материала, размеров и свойств пылевых частиц, относительной влажности газов, метода регенерации и других факторов.
Иногда остаточное сопротивление ткани непрерывно увеличивается, так как происходит забивание или «замазывание» ткани.
При определении регенерируемости была получена зависимость (рис. 10), показывающая, что регенерирующая способность лучше всего у металлической ткани ВеИрог и ткани МгкгоТЕХ. При их применении удаляется до 80-85% осевшей пыли. Вероятно, это обусловлено пониженной адгезионной способностью тефло-новой мембраны и гладкой металлической поверхности. Металлокерамическая фольга ФНС-5 и перфорированная фольга ПФ имеют также удовлетворительные результаты. Наихудшую регенерирующую способность показали ткань С120 из-за ребристой структуры ткани и металлический фетр из-за рыхлой структуры. Более стабильными циклами фильтрование - регенерация обладают фильтровальные материалы: ткань ВеМрог и ФНС-5.
Таким образом, в качестве фильтровального материала для пылеулавливания методом фильтрования целесообразно применять металлокерамическую фольгу ФНС-5. Несмотря на высокое гидравлическое сопротивление этого материала, он удовлетворительно поддается регенерации и обладает наилучшими фильтровальными свойствами.
научно-технический и производственный журнал £J\±Jг\i>\'::
~00 май 2015 Ь^ШШ'
Список литературы
1. Цховребов Э.С., Величко Е.Г. Вопросы охраны окружающей среды и здоровья человека в процессе обращения строительных материалов // Строительные материалы. 2014. № 5. С. 99-100.
2. Красовицкий Ю.В., Лобачева Н.Н., Романюк Е.В., Пигловский Н.В., Галиахметов Р.Ф. Особенности эксплуатации пылеуловителей при производстве строительных материалов // Строительные материалы. 2011. № 2. С. 63-65.
3. Красовицкий Ю.В., Панов С.Ю., Романюк Е.В., Гасанов З.С., Макарова Ю.И., Мануковская В.П. Рациональное измерение влажности, температуры и подсосов воздуха в пылегазовых трактах при производстве строительных материалов // Строительные материалы. 2012. № 1. С. 22-24.
4. Красовицкий Ю.В., Панов С.Ю., Романюк Е.В., Архангельская Е.В., Гасанов З.С. Коагуляция частиц дисперсной фазы в пылегазовых потоках при производстве строительных материалов // Строительные материалы. 2012. № 4. С. 66-68.
5. Сергина Н.М., Азаров Д.В. Гладков Е.В. Системы инерционного пылеулавливания в промышленности строительных материалов // Строительные материалы. 2013. № 2. С. 86-89.
6. Воронин С.А., Кацнельсон Б.А., Селезнева Е.А. Организация фракционного мониторинга загрязнения атмосферного воздуха взвешенными частицами в России // Гигиена и санитария. 2007. № 3. С. 60-63.
7. Фридланд С.В. Промышленная экология. Основы инженерных расчетов. М.: Колос, 2008. 176 с.
References
1. Tshovrebov E.S., Velichko E.G. Environmental protection and health of the person in the process of the circulation of building materials. Stroitel'nye Materialy [Construction materials]. 2014. No. 5, pp. 99-100. (In Russian).
2. Krasovitsky Yu.V., Lobacheva N.N., Romanyuk E.V., Piglovsky N.V., Galiakmetovh R.F. Features of operation of dust catchers at manufacture of building materials. Stroitel'nye Materialy [Construction materials]. 2011. No. 2, pp. 63-65. (In Russian).
3. Krasovitsky Yu.V., Panov S. Yu., Romanyuk E.V., Gasanov Z.S., Makarova Yu.I., Manukovskaya V.P. Rational measurement of humidity, temperature and air inflows in dust-gas ducts in the course of building materials production. Stroitel'nye Materialy [Construction materials]. 2012. No. 1, pp. 22-24. (In Russian).
4. Krasovitsky Yu.V., Panov S. Yu., Romanyuk E.V., Arkhangelskaya E.V., Gasanov Z.S. Coagulation of the dispersed phase in the dust and gas flows in the production of construction materials. Stroitel'nye Materialy [Construction materials]. 2012. No. 4, pp. 66-68. (In Russian).
5. Sergina N.M., Azarov D.V., Gladkov E.V. System of in-ertial dust catching in construction materials industry. Stroitel'nye Materialy [Construction materials]. 2013. No. 2, pp. 86-89. (In Russian).
6. Voronin S. A., Katsnelson B. A., Seleznyova E.A. Organization fractional air pollution monitoring suspended particles in Russia. Gigiena i sanitariya. 2007. No. 3, pp. 60-63. (In Russian).
7. Friedland S. V. Promyshlennaya ekologiya. Osnovy in-zhenernykh raschetov [Industrial ecology. Fundamentals of engineering calculations]. M: Kolos. 2008. 176 p.
Некоммерческое партнерство производителей извести
Научно-технический и производственный журнал
Строительные Материалы
ПРИГЛАШАЮТ ПРИНЯТЬ УЧАСТИЕ В МЕЖДУНАРОДНОЙ НАУЧНО-П РАКТИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ
«ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ИЗВЕСТИ»
15-16 сентября 2015 г.
Италия, Бергамо
Тематика конференции
• Рынок извести в современных условиях
• Технологии подготовки сырья и энергоносителей
• Шахт ные и вращаюшиеся печи
• Вопросы экологии. Эффективная пыле- и газоочистка и утилизация отработанных газов
• Техническое перевооружение предприятий производства извести
• Гидратация извести .
• Транспортные системы
ОРГКОМИТЕТ
Журнал «Строительные материалы»"
Тел./факс: (499) 976-22-08, 976-20-36 e-mail: izvest@bk.ru, mail@rifsm.ru www.rifsm.ru
Союз производителей извести
Тел./факс: (473) 239-84-95 e-mail: SPI-2006@yandex.ru www.soyuzizvest. ru
