автореферат диссертации по строительству, 05.23.03, диссертация на тему:Моделирование и разработка процессов локализации пневмокониоопасной пыли и рациональных методов очистки вентиляционных выбросов

Введение.

Глава 1. Физико-химические особенности мелкодисперсных воздушнопылевых потоков, методы их определения.

1.1 Характеристики мелкодисперсной пыли, оказывающих влияние на выбор методов ее газоочистки.

1.2 Источники образования мелкодисперсной пыли и факторы, определяющие уровень запыленности рабочих мест промышленных производств.

1.3 Выбор рационального метода определения концентрации пыли в воздухе, способа обработки результатов измерений.

1.4. Выбор рационального метода определения дисперсного состава пыли.

Выводы по главе 1.

Глава 2. Исследование особенностей мелкодисперсных пылевых потоков на рабочих местах.'.'.

2.1. Исследование распространения пылевых потоков на рабочих местах при производстве цемента.

2.2. Исследование пылевых потоков на рабочих местах в табачном производстве.

2.3. Закономерности распространения мелкодисперсной пыли.

Выводы по главе

Глава 3. Локализация выбросов мелкодисперсной пыли рациональной организацией вентиляционных систем

3.1. Анализ аспирационных систем.

3.2. Определение скорости и расхода воздуха местных отсосов.

3.3. Определение факторов, влияющих на состояние атмосферного воздуха на рабочем месте.

3.4. Обоснование эколого-экономической эффективности работы местной вытяжной и общеобменной систем вентиляции.

Выводы по главе 3.

Глава 4. Исследование методов и средств высокоэффективной очистки вентиляционных выбросов от мелкодисперсных выбросов.

4.1. Аналитические исследования энергетических и экологических показателей различных методов осаждения мелкодисперсной пыли

4.2. Анализ экономических показателей различных методов очистки вентиляционных выбросов от пыли.

4.3. Математическая модель процесса пылеулавливания в циклонном аппарате.

4.4. Исследование рациональных режимов осаждения мелкодисперсной пыли в аппаратах со встречными закрученными потоками.

4.4.1. Определение гидродинамических соотношений параметров для осесимметричных потоков.

4.4.2. Экспериментальные данные о движении газа в циклонах и вихревых установках.

4.4.3. Новая модель процесса сепарации пыли в аппаратах со встречными закрученными потоками (ВЗП).

4.5. Исследование процесса рециркуляции газопылевого потока в двух циклонах с эжекторной разгрузкой для осаждения пыли

4.6. Коагуляция мелкодисперсной пыли методом взаимодействия встречных струй.

4.7. Эколого-экономическое сравнение различных методов обеспыливания вентиляционных выбросов.

Выводы по главе 4.

Работа посвящена решению задач по исследованию особенностей образования, распространения в атмосфере мелкодисперсной пневмокониозоопасной пыли минерального и органического состава и эффективной очистке выбросов.

Актуальность темы. Выполненными за последние годы медико-экологическими исследованиями установлено повышенное негативное воздействие на здоровье человека мелкодисперсной и очень мелкодисперсной пыли с размерами частиц менее Юмкм, наиболее склонной к оседанию в легких. Пневмокониозоопасность этих фракций пыли связана с их способностью легко проникать через дыхательные пути, не осаждаясь в них, и осаждаясь в легких. Кремнеземный ее состав вступает с компонентами клеток легких в электробиообменные взаимодействия. Физико-химические свойства этой пыли определяют ее отличия распространения в производственных помещениях, условия локализации и осаждения в очистных аппаратах по сравнению с пылью средне-и крупнодисперсных фракций.

Содержание мелкодисперсных фракций в общем пылевом выбросе в ряде отраслей промышленности весьма значительное и составляет более 50%. Ее повышенное фиброгенное действие на легочную ткань с последующим нарушением нервной и сердечно-сосудистой деятельности, сложности ее осаждения очистными аппаратами и современное повышенное внимание к экономике очистки выбросов требуют дальнейших исследований для достижения санитарно-гигиенических и экологических нормативов.

Выбросы пыли по показателю риска развития негативных явлений и моделируемого времени их наступления занимают одно из главенствующих положений в местах сосредоточения производств с источниками повышенного пылевыделения.

Достижение нормативных требований качества воздушной среды на рабочих местах и в окружающей природной среде пылевыделяющих производств при снижении удельных энергетических и экономических показателей является задачей актуальной и востребуемой промышленностью. Выполненные исследования по распространению мелкодисперсной пыли в атмосфере, по особенностям ее локализации и эффективному осаждению позволяют получить не только эколого-экономический, но и социальный эффект.

Диссертационная работа выполнялась в соответствии с программой РОСТРОМ РФ по научному направлению "Разработка систем теплогазоснаб-жения с целью экономии теплоэнергетических ресурсов и защиты окружающей среды от вредных выбросов энергетических установок" и в рамках выполнения НИР Минобразования РФ "Разработка методов и структур вентиля-ционно-очистных систем, предотвращающих экологические экстремальные ситуации на предприятиях стройиндустрии" ТОО-12.3-1652, 2001г.

Цель работы. Целью диссертационной работы является создание научных основ и математических моделей для разработки рациональных с экономических и экологических позиций эффективных средств локализации и очистки вентиляционных выбросов от мелкодисперсной пыли.

Поставленная цель определила главные задачи исследования:

1. Выбор наиболее рациональных средств определения концентрации и дисперсного состава мелкодисперсной пыли в воздухе.

2. Определение факторов, влияющих на закономерности распространения мелкодисперсной пыли на рабочих местах в цементном и табачном производствах, как наиболее представительных среди производств, выделяющих мелкие фракции пыли.

3. Разработка математической модели эффективности работы местной вытяжной вентиляции, при которой обеспечиваются минимальные затраты на создание и эксплуатацию местной и общеобменной вентиляции.

4. Разработка математической модели газопылевых потоков ротационного и циркуляционного течений для установления граничных размеров улавливаемых частиц пыли в циклонных аппаратах со встречными закрученными потоками.

5. Разработка метода повышения интенсификации работы циклонов за счет рециркуляции пылевых потоков и коагуляции мелких частиц пыли.

6. Определение условий применения эколого-экономической методики выбора наиболее выгодного способа очистки выбросов применительно к очистке от мелкодисперсной пыли.

Методы исследования. Объектами исследований явились цементные и табачные производства. Основные теоретические задачи данной работы решались с привлечением современных методов определения концентраций и дисперсного анализа пыли в воздухе, математического аппарата, традиционно используемого при решении дифференциальных уравнений в частных производных, основных закономерностей массообменных процессов, аэрогидродинамики. Использован значительный опыт ведущих ученых в области создания аспирационных и обеспыливающих средств вентиляционных систем.

Научная новизна работы состоит в следующему

- определены зависимости влияния воздушных потоков и осаждаемости пыли на санитарно-гигиеническое состояние атмосферного воздуха на участках, выделяющих мелкодисперсную пыль;

- предложена математическая модель и на ее основе разработана методика определения экономически рациональных параметров устройств местного отсоса мелкодисперсной пыли и установлены экономически обоснованные соотношения между местной и общеобменной вентиляцией,

- разработана модель процесса сепарации пыли в аппарате со встречными закрученными потоками с использованием эксперементальных данных ряда авторов и разработана методика расчета размеров улавливаемой пыли,

- разработаны методики и расчетные зависимости интенсификации процесса сепарации пыли в циклоне с использованием коагуляции мелких частиц методом взаимодействия встречных струй и рециркуляции пылегазовых потоков в последовательно установленных циклонах с эжекционной разгрузкой.

На защиту выносятся следующие научные положения и результаты:

- зависимости влияния движения воздушных потоков на распространение выбросов мелкодисперсной пыли и времени ее осаждения на рабочих местах;

- математическая модель и методика определения показателя эффективности работы местной вытяжной вентиляции, обеспечивающей минимальные затраты на создание и эксплуатацию местной и общеобменной вентиляции;

- математическая модель и методика процесса сепарации пыли в аппаратах со встречными закрученными газопылевыми потоками.

- схемные и расчетные решения интенсификации осаждения мелкодисперсной пыли в циклоне методами рециркуляции пылевого потока с эжекционной разгрузкой и коагуляции пыли при взаимодействии газопылевых струй.

Практическая значимость и реализация результатов работы.

Полученные результаты позволяют объективно оценить пылевую обстановку на рабочих местах и учесть ее при разработке регламента работы обслуживающего персонала предприятия с соблюдением санитарно-гигиенических норм, определить экологически эффективные и экономически рациональные параметры местной и общеобменной вентиляции, параметры работы аппаратов со встречными закрученными потоками, схемные и режимные решения интенсификации осаждения мелкодисперсной пыли в циклоне.

Результаты выполненной работы внедрены в ОАО "Подгоренский цемент-ник" и в ОАО "Усмань-табак", подтвержденные актами о внедрении.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на научно-технической конференции Донбасского горно-металлургического института (г. Алчевск) в 1999г., на Международной 8 конференции „Безопасность жизнедеятельности на пороге 21-го века" (г. Алушта), 1999г., на 54-ой научно-технической конференции Воронежского государственного архитектурно-строительного университета (апрель 2001г.), на 4-ой Международной научно-практической конференции „Высокие технологии в экологии", (г.Воронеж), 2001г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения и 4-х глав, основных выводов, приложений, списка использованных источников из 85 наименований.

Выводы, изложенные в главах 1-4 диссертационной работы, обобщены следующим образом.

1. Установлены зависимости изменения концентрации пыли в воздухе рабочих мест от ветровых и временных факторов с целью предотвращения пневмокониозоопасности выполнения технологических операций при отсутствии эффективных средств локализации и очистки пылевых выбросов.

2. Установлены зависимости, определяющие скорость всасывания пылевых выбросов местной вентиляцией, при которой достигается требуемая степень локализации выделяющейся вредности при минимальном расходе воздуха и предотвращение захвата товарного измельченного материала.

3. Разработана математическая модель и методика определения эффективности работы местной вытяжной вентиляции, обеспечивающей минимальные затраты на создание и эксплуатацию местной и общеобменной вентиляци

4. Разработана математическая модель и методика определения границы между циркуляционным и ротационным течениями в циклонном аппарате со встречными закрученными потоками для определения граничных размеров улавливаемых частиц пыли.

5. Определены схема и метод повышения эффективности улавливания мелкодисперсной пыли с применением рециркуляции газопылевого потока

142 при работе двух последовательно установленных циклонов и эжекционной разгрузки.

6. Предложена схема и метод сепарации мелкодисперсной пыли в циклоне путем ее предварительной коагуляции при взаимодействии встречных запыленных струй.

7. Для выбора экологически эффективного и экономически рационального метода пылеочистки выбросов разработан интегральный показатель сопоставимости вариантов схем очистных аппаратов применительно к особенностям пылеосаждения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основным результатом диссертационной работы следует считать разработку теоретических и практических основ эффективной локализации и очистки вентиляционных выбросов, содержащих мелкодисперсную пневмоко-ниозоопасную пыль.

1. Пирумов А.И. Обеспыливание воздуха.- М.: Стройиздат. 1981. 291с.

2. Жилов Ю.Д., Куценко Г.И. Справочник по медицине труда и экологии.-М.: Высшая школа. 1995. С.56-66.

3. Справочник по пыле-и золоулавливанию, под ред. Русанова A.A. М.: Энер-гоатомиздат. 1983. С.6-26.

4. Коузов П.А. Основы анализа дисперсного состава промышленных пылей и измельченных материалов. Л.: Химия, 1971. С.З -20.

5. Грин X., Лейн В. Аэрозоли пыли, дымы и туманы. - М. -Л.Химия, 1972. С.153.

6. Хухрина Е.В., Ткачев В.В. Пневмокониозы и их профилактика. М.: Медицина, 1968. 407с.

7. Джувеликьян Х.А. Экология и человек. Воронеж, 1999.- 244с.

8. Балтренас П.Б. Обеспыливание воздуха на предприятиях стройматериалов.- М.: Стройиздат, 1990. 184с.

9. Лапшин А.Б. Обеспыливание в производстве извести.- М.: Стройиздат, 1988. 66с.

10. Руководство по гигиене атмосферного воздуха.- М.: Медицина, 1976. С.322-339.

11. Штокман Е.А. и др. Вентиляция, кондиционирование и очистка воздуха на предприятиях пищевой промышленности.- M.: АСВ, 1997. 673с.

12. Рыхтер Э.В.Гигиена и санитария. -М.: Медицина, 1973. С.97-98.

13. Асаконо Кунихико. „Кейсо" Instrumentation, 1973. т. 16,8. С. 18-22.

14. Nuistanter Н.Е. е.а. Atmos Environ, 1975. v.9 №1. p. 101-109.

15. Петрянов Соколов И.В. и др. Аналитические аэрозольные фильтры. Патент СССР №138768, заявлено 16.07.1960.

16. Newes Staubmessgerat. Warme, Klima und Sanitartechnic, 1969, Bd 21 №7, slO-12.

17. Оборудование, применяемое при комплексном обеспыливании рудников и шахт. М.: Недра, 1964. -310с.

18. Александров H.H., Гуния Г.С. Методологические аспекты радиоактивного загрязнения атмосферы.- JL: Гидрометеоиздат, 1975. С.314-320.

19. Измайлов Г.А. Применение радиоактивных изотопов и ядерных излучений в промышленности.- М.: ЦИТЭМ, 1961. С.73-76.

20. Kosmowski А. Maschine u. Werzeng, 1975, Bd.76 №4. SI9-20.

21. Кудряшов В.В.Рудничная аэрогазодинамика и безопасность горных пород.- М.: Наука, 1964.- С.179-187.

22. Кудряшов В.В. Борьба с силикозом. М.: Наука, 1964.- С. 168-179.

23. Olm I.G. Amer.Ind. Hyd.Assoc., 197l,v32 №4.-p.209-220.

24. Руководство по борьбе с пылью в угольных шахтах.- М.: Недра, 1979. С.91-95.

25. Давиденко В.А., Будзило Е.А.О методике определения запыленности воздуха приборами фильтрующего действия. Известия вузов. Горный журнал №12, 1979. С.57-66.

26. Пережилов А.Е., Давиденко В.А. Способы заблаговременного снижения пылеобразования угольных пластов.- М.: Недра, 1995. С.25-29.

27. Недин В.В., Нейков О.Д. Современные методы исследования пыли .- М.: Недра, 1968. 170с.

28. Ivers E.I. DIN-Mitteilungen, №5,1969. S.39.

29. Смолякова С.И. Аэрометрический седиментатор для определения дисперсности пыли. Сборник статей „Научно-исследовательские работы МакНИИза 1961г.- М.: Госгортехиздат, 1963.-240с.

30. Фигуровский H.A. Седиментометрический анализ.- М.: Изд.АН СССР,1958.-213с.

31. Г.Кюль. Химия цемента.-М.: 1931 .С.25-27.

32. Омар Тохитих Мохаммад Аль Нхоуд. Дисперсность промышленной пыли при производстве строительного щебня . Материалымеждународной конференции „Безопасность жизнедеятельности на пороге 21-го века" г. Алушта, 1999. С.23-25.

33. Технический отчет о природоохранных мероприятиях в ОАО „Усмань-табак" г.Усмань, 2001. 13с.

34. Штокман Е.А. Системы вентиляции, кондиционирования воздуха и пневмотранспорт табачных фабрик.- М.: Пищевая промышленность, 1974.287с.

35. Состояние окружающей природной среды в Воронежской области.- Воронеж, 1999.-230с.

36. Эльтерман В.М. Вентиляция химических производств.- М.: Химия. С. 195220.

37. Бурчаков A.C., Москаленко Э.М. Динамика аэрозолей.- М.: Наука, 1965.-68с.

38. Омар Тохитих Мохаммад Аль-Нхоуд. Исследование запыленности воздуха на рабочих местах цехов щебневых заводов. Сборник трудов Донбасского горно-металлургического института. Вып.10.-г. Алчевск, 1999. С.43-45.

39. Справочник по рудничной вентиляции.- М.: Недра, 1977.С.169-171.

40. Фукс H.A. Механика аэрозолей. -М.: Изд. АН СССР,1955. 351с.

41. Рашидов И.К., Янковский С.С. Основные достижения в области фильтрации.-М.: ЦИНТИхимнефтемаш, 1981. 60с.

42. Страус В. Промышленная очистка газов. М.: Химия, 1981. 616с.

43. Вершинина К.Н.и др. Промышленная и санитарная очистка газов.-М.: Медицина, 1977. С.4-6.

44. Янковский С.С., Мазус М.Г. Технологические параметры и особенности эксплуатации рукавных фильтров в различных отраслях промышленности.-М.: ЦИНТИхимнефтемаш, 1984. 46с.

45. Ужов В.Н. Вальдберг А.Ю. Мягков Б.И. Очистка промышленных газов от пыли.-М.: Химия, 1981. 392с.

46. Бродский Ю.Н. Булычева К.В. Экономика очистки промышленных газов рукавными фильтрами за рубежом.- М.: ЦИНТИхимнефтемаш, 1978. С.1-39. Обзорная информация, серия ХМ-14.

47. Банит Ф.Г. Малыгин А.Д. Пылеулавливание и очистка газов в промышленности строительных материалов.- М.: Стройиздат, 1979. 345с.

48. Красовицкий Ю.В. Разделение газовых гетерогенных систем с твердой фазой зернистыми фильтрами. Диссертация на соискание ученой степени д.т.н. М.: МИХМ, 1987. 484с.

49. Балтренас П.Б. и др. Воздухоочистные зернистые фильтры. Вильнюс: Техника, 1998. 239с.

50. Красовицкая К.А. и др. Исследование некоторых закономерностей процесса фильтрования суспензий для разделения аэрозолей на цилиндрических фильтровальных перегородках.- М.: Химическая промышленность, №1, 1971. С.69-71.

51. Вальдберг А.Ю. и др. Сухие и мокрые методы очистки газов с предварительной зарядкой частиц пыли.- М.: ЦИНТИхимнефтемаш, 1988. 34с.

52. Мальгин А.Д. Технико-экономическое обоснование выбора циклонов НИИОГаз и новые методы расчета степени очистки газов в циклонах. Сборник „НОТ в промышленности строительных материалов, 2 31.-М. 1973.

53. Шиляев М.И., Дорохов А.П. Методы расчета и принципы компановки пылеулавливающего оборудования. Томск, 1999. 205с.

54. Зайончковский Ю.Я. Обеспыливание в промышленности.-М., 1969. С. 12.

55. Скрыпник А.И. Эколого-экономический подход при внедрении технологии очистки вентиляционных выбросов от вредных химических веществ сучетом экстремальных ситуаций. Новосибирск: Известия вузов. Строительство. №3, 2001. С.70-75.

56. Муштаев В.И., Ульянов В.М. Сушка дисперсных материалов.-М.: Химия, 1988. 139с.

57. Степанов Г.Ю., Зицер И.М. Инерционные воздухоочистители.- М.: Машиностроение, 1986. С.6-12.

58. Штым А.Н. Аэродинамика циклонно-вихревых камер. Владивостк.: Дальневосточный университет, 1985. 200с.

59. Афанасьев И.И. и др. Обеспыливание на дробильных и обогатительных фабриках.- М.: Недра, 1989. 195с.

60. Минко В.А. Обеспыливание технологических процессов производства строительных материалов.- Воронеж: ВГУД981. 168с.

61. Каменев П.Н. Отопление и вентиляция, ч.2. Вентиляция. М.: Стройиздат, 1966. С.338.

62. Коптев Д.В. Обеспыливание на электроугольных заводах.- М.: Металлургия, 1980. С.61-62.

63. Бромлей М.Ф. Проектирование отопления и вентиляции промышленных зданий.- М.: Стройиздат, 1965. С.151-153.

64. Прузнер A.C. Журнал „Отопление и вентиляция" №13, 1939.- М. С. 13-21.

65. Бахарев В.А. Сборник межвузовской конференции по теплогазоснабже-нию и вентиляции.- Киев, 1969. С. 16-19.

66. Посохин В.Н. Расчет местных отсосов от теплогазовыделяющего оборудования. -М.: Машиностроение, 1984. 160с.

67. Омар Тохитих Мохаммад Аль-Нхоуд, Инякин В.И. Обоснование эффективности пылегазоулавливания местными вытяжными системами . Экологический вестник Черноземья, №12. Воронеж.: 2001. С. 16-20.

68. Marktubersicht über Filterapparate Chemil-Indenieur-Technik, 1995. 67, №6. С.678-705.

69. Горемыкин В.А., Болдырев A.M., Красовицкий Ю.В. и др. Расчет и выбор пылеулавливающего оборудования. Воронеж: ВГАСУ, 2000. 326с.

70. Гурьев B.C., Успенский В.А. Промышленная и санитарная очистка газов. -М.: 1985. С.12-14.

71. Мухутдинов Р.Х. Эффективность работы вихревых пылеуловителей.- М.: ЦИНТИхимнефтемаш, 1990. 44с.

72. Дроздов В.Ф. Вентиляция, ч.2.- М.: Высшая школа, 1984. С.166-172.

73. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. М.: Наука, 1968. 819с.

74. Кочин Н.Е., Кибель И.А., Розе Н.В. Теоретическая гидромеханика, ч.2.-М.: Физматгиз, 1963. 728с.

75. Логачев К.И. Аэродинамика всасывающих факелов. Белгород, 2000. 168с.

76. Скрыпник А.И., Янин A.A. Разработка и испытание вихревых энергоразделителей. Технический отчет Л129-24-73. Воронеж,1973. 31с.

77. Пирумов А.И. Аэродинамические основы инерционной сепарации. М.: Госстройиздат, 1961. 118с.

78. A. Ter-Linden.Cyclone dust collectors for boilers. „Trans of the ASME", 1953, vol.75,№3.

79. Сажин Б.С. Основы техники сушки. -М.: Химия, 1984. 320с.

80. Приходько В.П. Принципы расчета и конструирования прямоточных центробежных аппаратов со статическими завихрителями. Автореферат докторской диссертации. МХТИ им. Д.И. Менделеева.- М. 1989. 32с.

81. Омар Тохитих Мохаммад Аль-Нхоуд. Особенности распространения, локализации и очиски тонкодисперсной пыли. 4-я Международная научно-практическая конференция „Высокие технологии в экологии".- Воронеж, май 2001. С.50-54.

82. Омар Тохитих Мохаммад Аль-Нхоуд. Определение экономически рациональных эффективных методов очистки пылевых выбросов. Сборник материалов международной конференции молодых ученых "Аграрная наука в начале XXI века" Воронеж, ВГАУ 2001 г. С.28-31.161

83. Баркалов А.И. и др. Справочник проектировщика.- М.: Стройиздат, 1992. 416с.

84. Процессы переноса во встречных струях (газовзвесь), под ред. Эльтермана И.Т.- Минск: Наука и техника, 1972. 206с.