Белгород, Белгородская область, Россия
ГРНТИ 67.15 Технология производства строительных материалов и изделий
ББК 347 Технология производства оборудования отраслевого назначения
При загрузке технологических емкостей (бункеров) основным условием пылеобразования является взаимодействие загружаемого потока с преградой (удар падающего материала о дно бункера, о слой раннее складированного (уложенного) материала и т.д.). Основные фак-торы, влияющие на интенсивность пылеобразования можно разбить на три группы: кон-структивные характеристики бункерных хранилищ; технологические параметры перегруз-ки; физико-механические свойства сыпучего материала. Интенсивность распространения облака взвешенной пыли зависит от состояния воздушной среды вблизи источника пылеоб-разования, которое в свою очередь зависит от количества энергии, вносимой падающим материалом. В данной работе посвящена снижению пылеобразования при пневмотранс-портной загрузке порошкообразных материалов за счет использования разработанного за-грузочного устройства. Приведены результаты промышленных испытаний предлагаемого технического решения в условиях загрузки цементного силоса.
пылеобразование, эффект Коанда, Coanda effect, загрузка бункеров, аэродинамика.
Введение. При загрузке технологических емкостей (бункеров) основным условием пылеобразования является взаимодействие загружаемого потока с преградой (удар падающего материала о дно бункера, о слой раннее складированного (уложенного) материала и т.д.). Процессам пылеобразования посвящено значительное количество научно-исследовательских трудов, в частности установлению условий и последствий образования пыли при перегрузках посвящены работы Бобровникова Н.А. [1], Ларина Ю.А. [2], Логачева И.Н. [3, 4], Минко В.А. [5], Самсонова В.Т. [6], Сервацка З. [7], в которых выделены следующие особенности процесса: взаимодействие падающего материала с преградой; динамическое взаимодействие потока ускоренно падающего потока сыпучего материала и окружающей среды; эжекционная способность потока падающего материала; аэрирование падающего потока материала; влияние влажности сыпучего материала на его пылеобразующую способность; оседание частиц пыли. Этому явлению посвящено существенное число работ, учитывающих частные условия перегрузок: при работе конвейеров ленточного типа [3–5, 8–9], грейферных кранов [10–11], а также при различных условиях взаимодействия падающего сыпучего материала (из трубопроводов пневмотранспортных установок или лент конвейеров) и преграды (дно технологических емкостей: бункера, вагона, трюма) [1, 6–7, 11–12] и т.д.
Методология. Для повышения эффективности работы системы вентиляции, обеспечивающей снижение пылевых выбросов из бункеров разработано устройство для снижения пылеобразования при загрузке сыпучих материалов. Подтверждение работоспособности, которого необходимо выполнить экспериментально.
Основная часть. В работах [13–14] интенсивность пылеобразования, характеризующаяся концентрацией g (мг/с) пыли при взаимодействии материала с преградой в общем случае выражается:
(1)
где 
– кинетическая энергия взаимодействия материала и преграды; 
– отношение конечной и начальной скоростей материала; 
– количество эжектируемого воздуха; d , W – характерный размер и влажность материала.
В работе [15] рассмотрено явление вертикального распределения концентрации 
(мг/м3) пыли по высоте:
(2)
где 
– концентрация пыли в месте удара материала и преграды, приводящего ко взмётыванию материала; n – коэффициент распределения концентрации материала.
Эжектируемый расход воздуха Qэ (м3/ч) при падении свободной струи, согласно работе [13], определяется из выражения
, (3)
где 
– начальный расход воздуха в транспортирующем потоке, м3/ч; 
– расход воздуха, увлекаемого материалом, м3/ч. Величины и определяются из выражений:
, (4)
(5)
где 
– характерная геометрическая характеристика поверхности потока; 
– удельный расход воздуха, приходящийся на 1 м поверхности потока; 
– скорость воздуха; F – площадь поперечного сечения потока материала.
Отметим, что величины, входящие в уравнения (4) и (5) определяются по таблицам, данные для которых получены экспериментально, на моделях, как правило, в лабораторных условиях. Подобие (адекватность) моделируемых и натурных процессов пылеобразования определяется критериями, основанными на теории размерностей и подобия, что характерно для физического моделирования. Они (методы) рассматриваются как приближенные, однако их значимость увеличивается при решении поисковых задач, когда структура и состав уравнений, описывающих процесс, не полны или не надежны. К числу таких задач относится пылеобразование при перегрузках порошкообразных материалов.
При физическом моделировании определяются факторы (физические параметры), позволяющие устанавливать подобие процессов, протекающих в условиях модель – натура при различных пропорциональных характеристиках. Качественные и количественные связи подобных явлений устанавливают в виде критериев подобия (укрупненных множителях основных физических параметров процессов). В соответствии с первой теоремой подобия численное равенство критериев подобия является необходимым условием подобия объектов [16-17].
В работе [2] указывается: «количество пыли, выделяющееся при свободном падении измельченного материала, зависит от расхода этого материала, его дисперсности, высоты падения и скорости организованного потока воздуха». Принятые автором критерии подобия предполагают использование в модельных исследованиях не основной материал, перегружаемый в том или ином производстве, а подобный натурному, т.е. его характеристики также должны соответствовать условию подобия. Такой подбор модельного объекта перегрузки связан с дополнительными исследованиями.
При определении скорости взметывающихся потоков необходимо учитывать результаты исследований [6] в которых принято, что скорость потоков воздуха, образованных при ударе материала о преграду, будет близка к скорости свободного падения при столкновении с преградой. Самсонов В.Т. указывает: «основной причиной пылеобразования при падении сыпучего материала является резкое уменьшение его пористости при встрече с преградой. Это приводит к образованию потоков воздуха, которыми и взвешиваются пылевидные частицы и распространяются в плоскости удара» [6]. При этом в качестве основных критериальных условий принимается геометрическое подобие модели и натуры, а также критерий Фруда, отражающий соотношение инерции и сил тяжести для пылевоздушных потоков.
Известно исследование [2], посвященное оценке пылеобразования в результате соударения пневмотранспортного потока загружаемого материала и преграды в условиях загрузки судовых трюмов. Автор этой работы выделил три фазы процесса пылеобразования, аналитически определив концентрации пылевых потоков для каждой из них. Работа [2] основана на модельных исследованиях, в качестве условий подобия приняты геометрическое подобие и критерий Фруда. Однако использован натурный сыпучий материал, что является нарушением модельного исследования принципа подобия явлений. Поэтому результаты исследований можно считать поисковыми, и требуют количественной оценки процесса пылеобразования в натурных условиях.
Таким образом, основные рекомендации проведения модельного физического экспериментального исследования процессов пылеобразования при работе пневмотранспортных систем можно сформулировать так: выполнение модели геометрически подобной натурному объекту; использование натурного материала; соблюдение условий подобия падения и истечения материала в модели и натуре; соблюдение условий подобия взаимодействия пневмотранспортного потока о преграды, взметывания пылевых частиц в натуре и модели [18]; соблюдение численно равных скоростей потоков.
В соответствии с данными исследованиями, основные факторы, влияющие на интенсивность пылеобразования можно разбить на три группы: конструктивные характеристики бункерных хранилищ; технологические параметры перегрузки; физико-механические свойства сыпучего материала.
Интенсивность распространения облака взвешенной пыли зависит от состояния воздушной среды вблизи источника пылеобразования, которое в свою очередь зависит от количества энергии, вносимой падающим материалом.
Значительное влияние на интенсивность пылеобразования оказывают технологические параметры перегрузки: начальная степень истечения, расход материала и транспортирующего воздуха, эжекционное давление, степень заполнения бункера. В таблице 1 приведены параметры выбросов загрязняющих веществ в атмосферу от склада хранения цемента цементного завода ЗАО «Белгородский цемент».
Таблица 1
Параметры выбросов загрязняющих веществ в атмосферу от склада хранения цемента
|
№ силоса |
кол-во часов работы в год |
характеристика источника |
характеристика выбросов |
характеристика установки обеспыл. |
выбросы |
|||||||||||
|
источник выброса |
высота источника, м |
Диаметр, м |
Скорость, м/с |
Объем, м3/с |
Температура, °С |
тип газоочист. установок |
коэф. обесп. газоочист., % |
средняя степень очистки, % |
макс. степень очистки, % |
загрязняющее в-во |
г/с |
мг/м3 |
т/год |
валовый выброс по источнику, т/год |
||
|
1-6 |
8300 |
труба |
21 |
0,5 |
9,48 |
1,86 |
30 |
ФРКИ-180 |
100 |
98,8 |
99,5 |
пыль неорганическая 70-20 % SiO2 |
0,41 |
220,43 |
11,414 |
11,414 |
|
7-10 |
200 |
труба |
21 |
0,5 |
14,43 |
2,831 |
19 |
ФРКИ-180 |
100 |
95,7 |
99,5 |
1,83 |
646,4 |
1,3176 |
||
|
300 |
1,021 |
360,65 |
1,1026 |
|||||||||||||
|
|
1,83 |
646,4 |
|
2,4202 |
||||||||||||
|
11-14 |
6920 |
труба |
21 |
0,5 |
13,94 |
2,736 |
40 |
ФРКИ-180 |
100 |
98,6 |
99,5 |
0,33 |
120,6 |
6,265 |
6,265 |
|
|
16 |
3460 |
труба |
20 |
1 |
2,41 |
1,88 |
28 |
6 ЦН-15 ФРКИ-180 |
100 |
99 |
99,8 |
0,505 |
269,6 |
3,334 |
3,334 |
|
|
17 |
3360 |
труба |
20 |
1 |
3,71 |
2,94 |
38 |
6 ЦН-15 ФРКИ-180 |
100 |
99 |
99,8 |
0,598 |
203,4 |
5,737 |
||
|
100 |
0,58 |
197,3 |
0,1656 |
|||||||||||||
|
|
0,598 |
203,4 |
|
5,9026 |
||||||||||||
Конструктивные характеристики бункерных хранилищ (геометрические характеристики бункеров, загрузочных устройств и т.п.) также вносят вклад на условия пылеобразования. Поэтому, с целью снижения количества образующейся пыли целесообразно, снижать не только высоту падения, начальный диаметр струи путем загрузки сыпучего материала несколькими струями меньших диаметров, но и предусматривать возможность организации воздухораспределения в полости бункера [19–20].
Конструкция загрузочного узла модернизирована в соответствии с разработанным и запатентованным устройством для снижения пылеобразования при загрузке сыпучих материалов [21]. Техническое решение для цементного силоса приведено на рисунке 1.
Рис. 1. Конструкция загрузочного узла цементного бункера:
1 – трубопровода системы пневмотранспорта, 2 – сопло, 3 – обтекатель (тор),
4 – разделитель потока (конус), 5 – стрежень, 6 – контргайка
Конструкция предлагаемого устройства обеспечивает разделение пневмотранспортного потока на составляющие: сыпучий материал, направляемый в место складирования, а также воздушный поток, который согласно эффекта Коанда, изменяет свое направление и движется у крышки бункера. Что обеспечивает снижение пылеобразование при контакте с раннее складированным (уложенным) материалом, а соответственно и концентрацию пылевых частиц в аспирационном воздухе.
Устройство для снижения пылеобразования при загрузке сыпучих веществ прошло промышленные испытания в условиях загрузки силоса № 11, входящего в группу их 4-х бункеров цементного завода ЗАО «Белгородский цемент». В таблице 2 приведены результаты замеров запыленности аспирационного воздуха перед и после рукавного фильтра до и после установки предлагаемого устройства.
Таблица 2
Результаты замеров запыленности воздуха промышленного эксперимента
|
|
температура, С |
разрежение, мм. в. ст. |
кол-во аспирационного воздуха, м3/ч |
подсосы, % |
запыленность, мг/Нм3 |
кол-во пыли в аспирационном воздухе, г/с |
степень о чистки, % |
|
перед рукавным фильтром |
49 |
64 |
10527,322 |
5,05 |
8998,016 |
22,202 |
98,8 |
|
после рукавного фильтра |
44 |
108 |
10840,952 |
102,713 |
0,266 |
||
|
замеры с предлагаемым устройством: |
|||||||
|
перед рукавным фильтром |
47 |
63 |
10625,548 |
7,09 |
5886,50 |
14,660 |
98,6 |
|
после рукавного фильтра |
43 |
109 |
11002,224 |
78,019 |
0,205 |
||
Представленные результаты промышленных испытаний доказывают работоспособность способа повышения эффективности работы системы обеспыливающей вентиляции при пневмотранспортной загрузке сыпучих материалов в бункер. Предлагаемое устройство [21] обеспечивает снижение концентрации пылевых частиц в аспирационном воздухе до рукавного фильтра. При этом, несмотря на некоторое снижение степени очистки пылеочистного оборудования, концентрация загрязняющих веществ в атмосферу от рассматриваемого источника также снижается, что обеспечивает экологический и экономический эффект для предприятия и общества.
Выводы. В ходе проведения аналитических исследований были выявлены основные факторы, влияющие на пылеобразование при загрузке сыпучих материалов в технологические емкости (бункера). Предложенное устройство для снижения пылеобразования обеспечивает разделение потоков сыпучего материала и транспортирующего воздуха. В результате чего снижается количество вносимой энергии падающим потоком и уменьшается количество взметываемого материала. Проведены промышленные испытания предлагаемого устройства, подтверждающие его работоспособность.
Источник финансирования. РФФИ (код проекта 16-08-00074 а); Программа развития опорного университета на базе БГТУ им. В.Г. Шухова.
1. Бобровников Н.А. Защита окружающей среды от пыли на транспорте. Москва: Транспорт, 1984.
2. Ларин Ю.А. Исследование методов борьбы с пылеобразованием при погрузке порошкообразных материалов в трюмы судов, Ленинград, дис. канд. техн. наук: 05.22.19 1973.
3. Логачев И.Н., Логачев К.И. Аэродинамические основы аспирации: монография. Санкт-Петербург: Химиздат, 2005. 659 с.
4. Логачев И.Н., Логачев К.И., Аверкова О.А. Энергосбережение в аспирации: монография. М.: РХД, 2013. - 504 с.
5. Минко В.А., Логачев И.Н., Логачев К.И., Аверкова О.А., Шумилов Р.Н., Ильина Т.Н., Староверов С.В., Феоктистов А.Ю., Феоктистов Ю.А., Шаптала В.Г. и др. Обеспыливающая вентиляция. Т. 2. Белгород: БГТУ, 2010. 565 с.
6. Самсонов В.Т. Обеспыливание воздуха в промышленности: методы и средства: монография. Москва: ИНФРА-М, 2016. 234 с.
7. Сервацка З. Отдельные рекомендации по предотвращению пыления массовых сыпучих грузов // Научные труды Морской институт ПНР. 1981. Т. 662. С. 142 - 149.
8. Сухарева А.И. Вентиляция и пневмотранспорт в полиграфии. Москва: Книга, 1971. 30 с.
9. Logachev I.N., Logachev K.I., Averkova O.A., Kryukov I.V. Methods of Reducing the Power Requirements of Ventilation Systems. Part 1. Derivation of Hydrodynamic Equations of Air Ejection by a strem of Free-Flowing Material in a Perforated Trough with Bypass Chamber // Refractories and Industrial Ceramics. 2014. №1. Pp 70-75.
10. Отделкин Н.С., Отделкин М.С. Прогнозирование пылеобразования при перегрузке пылящих материалов грейферными кранами на основе подобия и моделирования // Научные труды Горьковского института инженерного водного транспорта. 1999. Т. 283. № 4. С. 108-116.
11. Отделкин Н.С. Прогнозирование пылеобразования при различных способах перегрузки пылящих навалочных материалов в морских и речных портах // Вестник Волжская гос. академия водн. трансп. «Надежность и ресурс в машиностроении». 2003. Т. 4. С. 107-120.
12. Степанов А.Л. Портовое перегрузочное оборудование. Москва: Транспорт, 1996. 328 с.
13. Обухов А.М. О распределении энергии в спектре турбулентного потока // «Изв. АН СССР»: Серия географическая и геофизическая, 1941. № 4-5.
14. Hinds W.C. Size characteristics of cigarette smoke // American Industrial Hygiene Association Journal. 1978. Vol. 38. №. 1. Pp. 48-54.
15. Vu Duc. Measurements of pollutants emitted during manual arc welding with coated electrodes in an experimental chamber // Staub. 1983. Vol. 43. №. 2. Pp. 55-57.
16. Кирпичев М.В. Теория подобия. Москва: Академия наук СССР, 1953. 182 с.
17. Седов Л.И. Методы подобия и размерности в механике. Москва: Гостехиздат, 1981. 375 с.
18. Logachev K.I., Averkova O.A., Kryukov I.V.Simulation of air flows in ventilation shelters with recirculation // Refractories and Industrial Ceramics. 2015. №4. Pp. 428-434.
19. Семиненко А.С, Логачев И.Н. Снижение пылеобразования при загрузке бункеров сыпучими материалами // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2006. № 14. С. 251-254.
20. Logachev, I.N. and K.I. Logachev, 2014. Industrial air quality and ventilation: controlling dust emissions. BocaRaton: CRCPress, Рр: 417.
21. Патент РФ 48318 Логачев И.Н., Овсянников Ю.Г., Семиненко А.С., Никитенко Б.Л. Устройство для снижения пылеобразования при загрузке сыпучих материалов. Патент на полезную модель Заявка: №2005117396/22,06.06.2005; Опубл. 10.10.2005, Бюл. № 28.
