Очистка воздуха с помощью циклона
Содержание
Введение
1 Исходные данные
1.1 Характеристика источника выбросов
1.2 Общая характеристика ваграночной пыли
2. Расчет величины пдв вредных веществ в атмосферу из одиночного
источника
3. Последовательность подбора и расчета параметров системы пылегазоулавливания
Заключение
Перечень ссылок
Приложения
Введение
Важнейший аспект защиты окружающей среды от загрязнений -
охрана атмосферного воздуха от вредных выбросов промышленности и транспорта.
Воздухоохранные мероприятия включают в себя комплекс мер организационного и
технического характера, направленных на снижение количества вредных веществ,
выбрасываемых в атмосферу, как путем совершенствования и оптимизации
технологических процессов, так и с помощью очистки и обезвреживания выбросов в
установках очистки газов [1].
Одно из мероприятий организационного характера - разработка
проектов нормативов ПДВ вредных веществ в атмосферу для промышленных объектов
(предприятия, объединения, совхоза, учебного заведения и т.п.), которые можно
рассматривать как совокупность источников загрязнения воздушного бассейна. ПДВ
является научно-техническим нормативом, устанавливаемым для каждого источника
загрязнения атмосферы таким образом, что выбросы вредных веществ от данного
источника и совокупности источников города или другого населенного пункта с
учетом их рассеивания в атмосфере, а также перспективы развития предприятий не
создадут приземную концентрацию, превышающую их ПДК для населения,
растительного и животного мира.
Предельно-допустимой концентрацией (ПДК) вредного вещества
называется такое содержание его в воздухе, которое при ежедневном воздействии в
течение неограниченного времени не может вызывать у человека каких-либо
патологических изменений или заболеваний. ПДК в воздухе населенных мест.
Правила установления ПДВ вредных веществ промышленными предприятиями
регламентируются ГОСТ 17.2.3.02-78 [2].
Знание норматива ПДВ для конкретного источника загрязнения
атмосферного воздуха позволяет рационально подойти к выбору метода и средств по
снижению вредного воздействия этого источника на воздушный бассейн. В настоящее
время в качестве таких средств на практике широко применяются установки очистки
пылегазовых выбросов.
1 Исходные
данные
1.1
Характеристика источника выбросов
В чугунолитейных цехах в качестве плавильных агрегатов
применяют водоохлаждаемые вагранки различного типа и другое оборудование. В
данной работе предполагается, что основным источником выбросов вредных веществ
в атмосферу являются вагранки. Модификации вагранок различаются типом дутья,
видом используемого топлива, конструкцией гона, шахты, колошника. Это
предопределяет состав исходных и конечных продуктов плавки, а следовательно,
количество и состав отходящих газов, их запыленность. Общая характеристика
ваграночных газов приведена в табл. 1.1.
Таблица 1.1 - Общая характеристика ваграночных газов
Производительность
вагранки, т/ч
|
Среднее
количество выбрасываемых газов Q, тыс. м3/ч
|
Температура
газов (после искрогасителя) tг, °С
|
Среднее
количество q, кг/ч
|
|
|
|
пыль
нетоксичная
|
оксид углерода
|
диоксид серы
|
диоксид азота
|
8
|
20,5
|
300
|
200
|
1100
|
20
|
1,8
|
1.2 Общая
характеристика ваграночной пыли
Диапазон значений дисперсного состава пыли в ваграночных
газах приведен в табл. 1.2, из которой видно, что ваграночная пыль отличается
широким спектром дисперсности, но основу выбросов составляют крупнодисперсные
частицы, т.е. частицы размером более 10 мкм, независимо от типа дутья.
Таблица 1.2 - Дисперсный состав пыли в ваграночных газах
Размеры частиц,
мкм
|
Дутье
|
|
Горячее
|
Холодное
|
0…5
|
16,6
|
-
|
5…10
|
13,3
|
2,4
|
10…25
|
16,0
|
6,2
|
25…50
|
13,2
|
21,8
|
>
50
|
40,9
|
69,6
|
Итого:
|
100,0
|
100,0
|
Химический состав ваграночной пыли различен и зависит от
состава металлозавалки, шихты, вида топлива, условия работы вагранки. В
основном эта пыль состоит из оксидов кремния, железа, кальция, алюминия, магния
и марганца, а также из углерода.
Дополнительные исходные данные для определения величин ПДВ
приведены в табл. 1.3.
Таблица 1.3 - Исходные данные для определения ПДВ
Вариант задания
|
Фоновая
концентрация Сф, мг/м3
|
Высота трубы Н, м
|
Диаметр устья Д,
м
|
Температура
воздуха tв, °С
|
Город, регион
|
8
|
0
|
12,5
|
0,5
|
г.
Днепропетровск
|
2. Расчет
величины пдв вредных веществ в атмосферу из одиночного источника
Алгоритм расчета ПДВ составлен на основании разработанной
Госкомгидрометом методики расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных
веществ, содержащихся в выбросах промышленных предприятий, изложенной в ОНД-86
[4].
Определим величину ПДВ вредного вещества из одиночного
источника при заданных высоте дымовой трубы и фоновой концентрации данного
вредного вещества в приземном слое воздуха, г/с:
, (2.1)
где
ПДК - предельно допустимая (максимальная разовая) концентрация
вредного вещества в приземном слое воздуха (определяется в соответствии с
приложением А), мг/м3; Сф - фоновая концентрация
вредного вещества в приземном слое воздуха, мг/м3; Н - высота
источника выброса (дымовой трубы) над уровнем земли, м; V1 - расход газовоздушной смеси, м3/с; Dt - разность температур газовоздушной смеси
и атмосферного воздуха; А - коэффициент, зависящий от температурной
стратификации атмосферы, с2/3 град1/3 мг/г (принимаем
равным 160 в соответствии с приложением А), F - безразмерный
коэффициент, учитывающий скорость оседания вредных веществ в атмосферном
воздуха (принимаем равным 1, в соответствии с приложением А); m, n - безразмерные
коэффициента, учитывающие условия выхода газовоздушной смеси из устья источника
выброса.
Расход газовоздушной смеси V1, м3/с определим по формуле:
, (2.2)
гдеQ - среднее количество выбрасываемой
газовоздушной смеси, тыс. м3/ч.
.
Разность температур Dt газовоздушной смеси и атмосферного воздуха определим по формуле:
, (2.3)
гдеtг, tв - температура соответственно выбрасываемой в атмосферу газовоздушной
смеси и атмосферного воздуха, °С.
Dt = 300 - 23,7 = 276,3
(°С).
Коэффициент m
зависит от параметра f и определяется по формуле:
, (2.4)
гдеω0 - средняя скорость выхода газовоздушной смеси из устья источника
выброса, м/с; D - диаметр устья источника выброса, м.
Средняя скорость выхода газовоздушной смеси из устья источника
выброса определяется по формуле:
выброс вредное вещество атмосфера
. (2.5)
Тогда коэффициент f
будет равен:
.
При f <
100 коэффициент m будет
равен:
. (2.6)
Коэффициент n при f < 100 зависит от величины Vм, которая определяется по
формуле:
. (2.7)
При Vм > 2 коэффициент п равен: 1 (2.8)
Результаты расчета величины ПДВ вредного вещества из одиночного
источника занесем в табл.3.1.
3. Последовательность подбора и расчета параметров
системы пылегазоулавливания
Определим начальную запыленность или концентрацию
газообразных вредностей в ваграночных газах (для каждого ингредиента) по
формуле, г/м3:
, (3.1)
гдеq - среднее количество выбрасываемой вредности, кг/ч; Q - среднее
количество выбрасываемых газов, м3/ч.
Определить требования к концентрации вредных веществ на выбросе
системы пылегазоулавливания с учетом ПДВ, г/м3:
, (3.2)
Где ПДВ - предельно допустимый выброс, г/с.
Полученные данные заносим в табл.3.1.
Таблица 3.1 - Результаты расчета
Выбрасываемое
вещество
|
q, кг/ч
|
ПДК, мг/м3
|
ПДВ, г/с
|
Zнач, г/м3
|
Zдоп, г/м3
|
пыль
нетоксичная
|
200
|
0,15
|
2,34
|
9,75
|
0,41
|
оксид углерода
|
1100
|
3
|
46,95
|
53,65
|
8,24
|
диоксид серы
|
20
|
0,05
|
0,78
|
0,97
|
0,13
|
диоксид азота
|
1,8
|
0,04
|
0,62
|
0,087
|
0,1
|
Из проведенных расчетов, очевидно, что zдоп < zнач для пыли, следует
сделать вывод о необходимости очистки газов от данного ингредиента.
Выбираем принципиальную схему очистки ваграночных газов из
числа предлагаемых (приложение А). При этом необходимо выбрать ту схему очистки,
в состав которой входят аппараты очистки, позволяющие улавливать вредные
вещества заданной дисперсности и химического состава. Изначально произведем
грубую очистку ваграночных газов от пыли (более 10 мкм) инерционым методом,
применив цыклон (эффективность очистки для крупно дисперсной пыли 80-97%),
затем с помощью турбулентных промывателей (эффективность 95-98%) осуществим
среднюю очистку газов от пыли (5-10мкм). Тонкую очистку пыли (0-5 мкм) выполним
применяя рукавные фильтры (эффективность 95-98%). Данную схему очистки
изобразим на рисунке 3.1.
Рисунок 3.1 - Схема очистки ваграночных газов:
- вагранка; 2 - полый скруббер; 3 - циклон; 4 - дымосос; 5 -
дымовая труба.
Для выбранной схемы определяем общую эффективность системы
пылеулавливания η0 по формуле:
, (3.3)
где η1, η2,…, ηn - эффективность соответственно 1-й, 2-й,.
n-й ступеней очистки.
Эффективность каждой из ступеней очистки определяется выражением:
, (3.4)
где - табличное значение эффективности
аппарата очистки (приложение А); - доля частиц, которые улавливаются данным аппаратом, в общем
объеме всех загрязнений.
По варианту 8, тип дутья - холодный.
;
;
Проверим, удовлетворяет ли общая эффективность требованиям к
концентрациям вредных веществ в газах на выбросе. Для этого необходимо
определить потребную эффективность очистки системы пылеулавливания
. (3.5)
В нашем случае =, требования к концентрациям вредных
веществ в газах на выбросе выполняются.
Рассчитаем основные параметры центробежного циклона.
При расчете сухих центробежных циклонов определяют их основные
размеры, гидравлическое сопротивление и эффективность очистки.
Расчет циклонов производят по общепринятой методике в следующем
порядке. Задаем тип циклона ЦН-15 по табл. 6 определяем оптимальную скорость
газа в циклоне ωопт =3,5, (м/с).
Определяем необходимую площадь сечения циклона, м2:
, (3.6)
где ωопт - оптимальная скорость газа, м/с
м2
Определим диаметр циклона D, м. Для этого нам необходимо задать количество циклонов в группе. Циклоны можно устанавливать в
группы по 2,4,6 И 8 шт. при их прямоугольной компоновке и по 10,12 и 14 при
круговой компоновке. =1
. (3.7)
. = 0,82 мм
Диаметр циклона округлять до величины из следующего ряда, мм: 200;
400; 600; 800; 900; 1000; 1200.
Округляем до D=800 мм
Вычислим действительную скорость газа в циклоне, м/с:
; (3.8)
м/с.
Скороcть газа в циклоне не должна отклоняться
более чем на 15% от оптимальной. Данное требование выполняется.
Определяем коэффициент гидравлического сопротивления
соответствующий заданному типу циклона:
xцгр = К1 К2xс, пц500+К3, (3.9)
гдеxс, пц500 - коэффициенты гидравлического сопротивления
одиночного циклона, принимаемый по таблице Б.2 ("п" на выхлоп в
атмосферу и "с" в гидравлической сети, при D=500 мм), К1 -
поправочный коэффициент на диаметр циклона (табл. Б.3), К2 -
поправочный коэффициент на запыленность газа (табл. Б.4), К3 -
принимается в зависимости от варианта компоновки группового циклона (при
круговой компоновке К3=60, при прямоугольной компоновке К3=35).
xцгр = К1 К2xс, пц500+К3 = 10.93155=144,15.
Определяем потери давления в циклоне:
Dр = xц, (3.10)
где ρ -
плотность воздуха (принять равным 1,2 кг/м3)
Dр = xц= (1,23,62/2) 155=1205,28 Па.
Определяем отношение , которое для каждого типа циклонов при рабочих условиях должно
иметь определенное оптимальное значение (табл.10)
=500…1000. (3.11)
Определяем общую степень очистки газов в циклоне:
; (3.12)
где - функция распределения от величины .
, (3.13)
где d50
- медиана распределения частиц пыли при входе в циклон, мкм (для ваграночных
газов, при горячем дутье d50=45 мкм, при холодном d50=70
мкм)50ц - диаметр частиц (мкм), улавливаемых в условном циклоне с
эффективностью 50 %, (табл. Б.6)
К - поправочный
коэффициент, табл. Б.6
D - диаметр циклона, м
m - вязкость газа, (Н* сек\м2)
rп - плотность пыли, (2500 кг\м3)ц - условная
скорость в циклоне, м\с.
sц - величина, характеризующая дисперсию частиц, улавливаемых
циклоном, табл. Б.6
sп - степень полидисперсности всех частиц (для ваграночных газов,
при при горячем дутье sп=9, при холодном sп=2)
.
Тогда степень
очистки газов в циклоне равна:
.
Сопоставляем
полученные значения η0 с требуемым. Общая степень очистки газа в
циклоне больше требуемой, следовательно данный тип циклона нам подходит по
параметрам. Выполняем эскиз выбранного циклона (рис 3.2) в соответствии с табл.
Б.7.
Заключение
В данной работе мы изучили характеристики источника выбросов вредных
веществ в атмосферу в литейном цехе машиностроительного предприятия и условия
выброса этих вредных веществ в воздушный бассейн. По проведенным расчетам
определили, какие вредные вещества в составе ваграночных газов превышают
допустимые концентрации и подобрали для них необходимую схему очистки.
Определили общую эффективность очистки выбранной схемы и проверили, что она
соответствует требованиям к концентрациям вредных веществ в газах на выбросе.
После мы произвели расчет одного из элементов системы очистки (циклон),
выполнили его эскиз. Оформили пояснительную записку и графическую часть
курсовой работы.
Перечень
ссылок
1.
Охрана
окружающей природной среды; Учебник для вузов / Под ред. Г.В. Дуганова. - К.:
Выща шк., 1988. - 304 с;
2.
ГОСТ
17.2.3.02-78. Охрана природы. Атмосфера. Правила установления допустимых
выбросов вредных веществ промышленными предприятиями. - Введ. 01.01.1980;
3.
Правила
эксплуатации установок очистки газа. - М.; Минхимнефтемаш, 1984. - 22 с;
.
ОНД-86.
Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ,
содержащихся в выбросах предприятий. - Л.: Гидрометеоиздат, 1987. - 95 с.
Приложения
Приложение А
Таблица А.1 - ПДК загрязняющих веществ в атмосферном воздухе
населенных мест
Вещества
|
Предельно
допустимая концентрация, мг/м3
|
Класс опасности
|
|
Максимальная
разовая
|
Среднесуточная
|
|
Диоксид азота
|
0,085
|
2
|
Взвешенные
вещества (нетоксичная пыль)
|
0,5
|
0,15
|
3
|
Диоксид серы
|
0,5
|
0,05
|
3
|
Оксид углерода
|
5,0
|
3,0
|
4
|
Значение коэфффициента А, соответствующее
неблагоприятным метеорологическим условиям, при которых концентрация вредных
веществ в атмосферном воздухе максимальна, принимается в зависимости от
географического региона местности, где расположен источник загрязнения (А=
250; 200; 180; 160; 140), в том числе:
250 - для районов Средней Азии южнее 40° с. ш;
200 - для Европейской части России: для районов России южнее 50° с. ш.,
для остальных районов Нижнего Поволжья, Кавказа, Молдовы; для Азиатской
территории России: для Казахстана, Дальнего Востока и остальной территории
Сибири и Средней Азии;
180 - для Европейской территории России и Урала от 50 до 52° с. ш., за
исключением попадающих в эту зону ранее перечисленных районов и Украины;
160 - для Европейской территории России и Урала севернее 52° с. ш. (за
исключением Центра ЕТС), а также для Украины (для расположенных на Украине
источников высотой менее 200 м в зоне от 50 до 52 с. ш. - 180, а южнее 50° с.
ш. - 200);
- для Московской, Тульской, Рязанской, Владимирской, Калужской,
Ивановской областей.
Значение безразмерного коэффициента F, учитывающего скорость
оседания вредных веществ в атмосферном воздухе, принимается в зависимости от
вида выброса вредных веществ:
для газообразных вредных веществ и мелкодиспероных аэрозолей
(пыли, золы и т.п., скорость упорядоченного оседания которих практически равна
нулю) - 1;
для крупнодиоперсных аэрозолей при среднем эксплуатационном
коэффициенте очистки выбросов не менее 90% - 2; от 75 до 90% - 2,5; менее 75% и
при отсутствии очистки - 3;
- при содержании водяного пара в выбросах, достаточном для
того, чтобы в течение всего года наблюдалась его интенсивная конденсация, вне
зависимости от эффективности очистки от аэрозолей - 3.
Рисунок А.1 - Принципиальные схемы очистки ваграночных газов:
а - в сухих
искрогасителях;
б - в мокрых
искрогасителях;
в - в
установках со скрубберами Вентури;
г - в сухих
горизонтальных электрофильтрах;
д - в
рукавных фильтрах:
- вагранка; 2 - сухой искрогаситель; 3 - мокрый искрогаситель; 4 -
полый скруббер; 5 - скруббер Вентури; 6 - инерционный шламоуловитель; 7 -
циклон; 8 - дымосос; 9 - дымовая труба; 10 - устройство для дожигания оксида
углерода; 12 - патрубок для подсоса воздуха; 13 - рукавный фильтр.
Таблица А.2 - Область применения и характеристика аппаратов
пылегазоулавливания.
Область
применения
|
Тип
пыле-газоулавливателя
|
Вид
оборудования
|
Индекс группы
|
Производительность
по газу, м3/ч
|
Эф-ть, %
|
Примечания
|
Грубая очистка
от пыли (более 10 мкм)
|
Гравитационный
|
Сухие
искрогасители
|
С
|
2500 - 30000
|
25 - 30
|
|
|
Инерционный
|
Циклоны
|
С
|
400 - 32000
|
60 - 80
|
При очистке от
мелко и среднедисперсной пыли
|
|
|
|
|
|
80 - 97
|
При очистке от
крупнодисперсной пыли
|
Средняя очистка
от пыли (5-10 мкм)
|
Мокрый
|
Мокрые
искрогасители
|
М
|
2500 - 30000
|
50 - 85
|
|
|
|
Полые скрубберы
|
М
|
1500 - 15000
|
50 - 70
|
|
|
|
Турбулентные
промыватели
|
М
|
3100 - 84000
|
95 - 98
|
|
Тонкая очистка
от пыли (0-5 мкм)
|
Тканевый
|
Рукавные
фильтры
|
До 50000
|
95 - 98 и более
|
|
|
Электрический
|
Электрофильтры
|
Э
|
Десятки и сотни
тысяч м3/ч
|
95 - 98 и более
|
|
Очистка от
оксида углерода
|
Термический
|
Установки
дожигания
|
Т
|
-
|
До 99,9
|
|
Очистка от
диоксида серы
|
Термокаталитический
|
Каталитические
реакторы
|
Т
|
-
|
95
|
|
Приложение Б
Таблица Б.1 - Значения нормативной
удельной газовой нагрузки
Значения
нормативной удельной газовой нагрузки
|
Материал
|
3
|
Комбикорм,
мука, зерно, жмыховая смесь, пыль кожи, опилки, табак, картонная пыль,
поливинилхлорид послераспылительный, сушилки
|
2,6
|
Асбест,
волокнистые и целлюлозные материалы, пыль при выбивке отливок из форм, гипс,
известь гашеная, пыль от полировки, соль, песок, пыль пескоструйных
аппаратов, тальк, кальцинированная сода
|
2
|
Глинозем,
цемент, керамические красители, уголь, плавиковый шпат, резина, каолин,
известняк, сахар, пыль горных пород
|
1,7
|
Кокс, летучая
зола, металлопорошки, окислы металлов, пластмассы, красители, силикаты,
крахмал, смолы сухие, химикаты из нефтесырья
|
1,2
|
Активированный
уголь, технический углерод, моющие вещества, порошковое молоко, возгоны
цветных и черных металлов
|
Для коэффициента, учитывающего влияние
особенностей регенерации фильтровальных элементов, в качестве базового варианта
принимается фильтр с импульсной продувкой сжатым воздухом с рукавами из ткани.
Для этого аппарата коэффициент C1 = l. При использовании рукавов из нетканых материалов значение
коэффициента может увеличиваться на 5-10%.
Для фильтров с регенерацией путем обратной
продувки и одновременного встряхивания или покачивания рукавов принимается
коэффициент C1 = 0,70-0,85. Меньшее значение принимается для фильтров с рукавами
из плотной ткани и с элементами, выполненными в виде конвертов.
Для фильтров с регенерацией путем обратной
продувки коэффициент C1 = 0,55-0,70. Меньшее из этих значений
принимается для рукавов из стеклоткани и фильтров, снабженных фильтровальными
элементами, выполненными в виде конвертов.
Рисунок Б.1 - Зависимость коэффициента С2 от
концентрации пыли
Таблица Б.2 - Значения коэффициента С3,
учитывающего влияние дисперсного состава пыли
Медианный
размер частиц пыли, мкм
|
Свыше 100
|
50 … 100
|
10 … 50
|
3 … 10
|
Меньше 3
|
Коэффициент С3
|
1,2-1,4
|
1,1
|
1
|
0,9
|
0,7-0,9
|
Таблица Б.3 - Значения коэффициента С4,
учитывающего влияние температуры t"
t,°С
|
20
|
40
|
60
|
80
|
100
|
120
|
140
|
160
|
С4
|
1
|
0,9
|
0,84
|
0,78
|
0,75
|
0,73
|
0,72
|