Исследование акустических явлений пылевоздушного потока и разработка методологии определения дисперсного состава пыли

Актуальность темы

исследований.

Промышленная пыль является одним из основных загрязнителей атмосферы и производственных помещений, что ухудшает экологическую обстановку и угрожает здоровью человека и биосферы.

Промышленная пыль возникает непосредственно в процессе производства. При этом каждому виду производства сопутствует характерный для него вид пыли. В зависимости от материала, из которого пыль образована, она может быть органической (мучная, зерновая, табачная, сахарная, шерстяная, костяная и др.), неорганической (кварцевая, цементная, угольная и др.) и металлической (стальная, медная, алюминиевая и др.).

Рассматривать пыли целесообразно как дисперсные системы: монодисперсные, т. е. состоящие из частиц примерно одинаковой величины, и полидисперсные, т. е. в состав которых входят частицы различной величины. Промышленные пыли, как правило, полидисперсные [1].

Пыль технологического происхождения характеризуется большим разнообразием параметров: химическому составу, размеру и строению частиц, плотностью, удельной поверхностью, верхнему и нижнему концентрационному пределу взрывоопасности, электрическими свойствами и т. д. Дисперсный состав является одной из важнейших характеристик тонкоиз-мельченных материалов, определяющих их физико — химические свойства [2]. Знание дисперсного состава позволяет судить о степени ее опасности в санитарно — гигиеническом отношении, способности образовывать взрывоопасные смеси с воздухом, влиять на ход технологических процессов.

Способность к воспламенению является важнейшим свойством многих видов пыли. Являясь взрывои пожароопасными и представляя собой источник зарядов электричества, пыли наносят социальный и экономический ущерб, и относятся к основным загрязнителям окружающей среды. В связи с этим снижение содержания пыли в производственных помещениях и приземном слое атмосферы приобретает все большее значение.

При оценке степени ее вредности важное гигиеническое и экологическое значение имеет дисперсный и химический состав пыли. Частицы пыли крупнее 5 мкм задерживаются в верхних дыхательных путях. Более мелкие частицы пыли проникают в альвеолы легких и способствуют возникновению профессиональных и развитию имеющихся у человека заболеваний. Частицы пыли с острыми зазубренными краями оказывают непосредственно механическое воздействие на слизистую оболочку, травмируя и раздражая ее. Пылинки из твердого материала, например, пыль металлическая, стеклянная, кварцевая и др., оказывает наиболее сильное травмирующее воздействие. Обладающая значительной растворимостью, токсичная пыль отравляет организм. Воздействие пыли на орган зрения приводит к воспалительным процессам, а раздражающее действие на кожу вызывает дерматиты. Кроме того, многие пылевые выбросы содержат радионуклиды с длительным периодами полураспада, что способствует развитию раковых заболеваний и вызывает генетические изменения в организме.

Пыль может оказывать неблагоприятное влияние на оборудование и технологический процесс, ухудшая качество продукции. Попадая в передаточные механизмы, трущиеся части машин, минеральные частицы пыли вызывают интенсивный износ.

На основании действующего законодательства «Об охране атмосферного воздуха» в соответствии с ГОСТ 12.1.005 — 85 «Общие санитарно — гигиенические требования к воздуху рабочей зоны» и ГОСТ 17.2.3.02 — 78 «Правила установления допустимых выбросов вредных веществ промышленными предприятиями» непрерывно возрастает актуальность совершенствования комплекса методов контроля фактического содержания пыли на рабочих местах и в отходящих промышленных газах.

Для правильной эксплуатации и управления обеспыливающими установками, пылеулавливающими устройствами необходим регулярный контроль содержания пыли в различных технологичеких условиях. В этом комплексе условий анализ дисперсного состава пыли имеет особое значение.

Эффективность действующих пылеочистных устройств нельзя объективно оценить без характеристики дисперсности промышленных пылей. Существующие методы определения дисперсного состава достаточно сложны и не обеспечивают непрерывного слежения. При этом только на основе достаточно достоверных и тщательно выполненных анализов дисперсного состава исходной, уловленной или вынесенной пыли можно определить пофракционные степени очистки воздуха от пыли.

Применение наиболее совершенных методик и приборов при проведении замеров дисперсности необходимо для достижения наивысшей эффективности и производительности пылеулавливающих установок.

Существующие методы контроля дисперсного состава пыли характеризуются большими затратами времени и трудоемкостью, они не позволяют создать систему оперативного и непрерывного измерения и слежения в реальном масштабе времени. Большинство современных методов дисперсного анализа пыли включает предварительное выделение пыли из газовой среды и последующее ее разделение на фракции.

При эксплуатационном контроле пылеуловителей наиболее целесообразным является проведение круглосуточных замеров запыленности газов с определением средних значений за сутки [5]. В ряде случаев требуется определение необходимого числа замеров, при которых достигается желаемая точность полученных результатов. Пылегазовые замеры с использованием известных методов неизбежно сопровождаются ошибками, зависящими от параметров характеризующих физико — химические свойства пылей. В связи с большим разнообразием методов и приборов дисперсного анализа, дисперсный состав одного и того же пылеобразного материала, определяемый с помощью различных приборов, получается неидентичным [3].

Развитие современных технических и вычислительных средств позволяет решать вопрос о разработке новых методик и средств дисперсного анализа по созданию систем непрерывного контроля за пылевым потоком.

Большой вклад в теорию пылеметрии и методику инструментального контроля пылесодержания внесли отечественные ученые Ищук И. Г., Кирин Б. Ф., Коузов В. А., Кудряшов В. В., Поздняков Г. А., Петрянов И. В., Фукс.

B.K. и др.- а также зарубежные ученые GastT., Leithe W., Martin L.C., Teissey M. и др. Исследования по этому направлению ведутся в отечественных научных учреждениях: институте горного дела им. Скочинского, институте проблем комплексного освоения недр академии наук Российской Федерации, Московском государственном горном университете, Ростов-ском-на-Дону государственном строительном университете (РГСУ), институте физики земли АНРФ и др.

Теоретические и экспериментальные исследования с использованием методов математического моделирования позволяют избавиться от взаимной зависимости некоторых параметров, оценить погрешность измерения и провести диагностику дисперсного состава движущегося пылегазового потока в трубопроводах.

Разработка новых способов и средств непрерывного дисперсного анализа пылевых потоков является чрезвычайно важной и актуальной проблемой современности.

Цель работы.

Разработка методологии непрерывного мониторинга дисперсного состава пыли в воздушных потоках и подбор средств ее реализации.

Основная идея работы.

Определение дисперсного состава пыли в воздушном потоке по сигналам акустической эмиссии с выделением подспектров Фурье, содержащих информацию о пофракционной концентрации пылегазовых потоков.

Методы исследований: математическое моделирование с выбором и уточнением параметров дисперсного состава пылиаппроксимация колебаний сигналов акустической эмиссииинтерполяция дисперсного состава заданными линейно-независимыми базисными функциями.

Достоверность результатов: эффективность применения разработанной методики дисперсного анализа пыли подтверждена эталонным весовым, микроскопическим методом и теорией масштабного моделирования, достаточным объемом выполненных экспериментов, совпадением теоретических и экспериментальных результатовнадежность полученных результатов подтверждена на специально созданных пылеметрических моделях и в натурном полномасштабном экспериментерезультаты лабораторных и натурных испытаний подтверждены при промышленных испытаниях.

При проведении испытаний использовалась блочно-акустическая аппаратура АФ-15, осциллограф С1−81, аналоговые акустические спектроана-лизаторы СК4−56 и СК4−59, и вторичный регистрирующий прибор-потенциометр с круговой суточной диаграммой, а также портативный шу-момер-индикатор «Контест», дополненный стрелочным микроамперметром со шкалой, проградуированной в микровольтах и децибелах.

Научная новизна работы: на основе бинарной реологической модели аэрозольной смеси выявлена представительная корреляционная связь дисперсного состава пыли в потоке с амплитудами и частотами акустического спектра Фурьеподтверждено, что в разложении периодического сигнала в ряд Фурье первая основная гармоника характеризует концентрации фракции пыли, а вторая и последующие за ней тембровые (высшие) гармоники, строго кратные основному тону, несут информацию о дисперсном составе пылевого аэрозоля в воздушных или газовых потокахпоказано, что дисперсный состав пыли в потоке может быть оценен по методу весовых функций в виде суперпозиции линейно независимых ортогональных функцийустановлено, что оценка дисперсного состава производственных пылей может быть осуществлена анализом акустического сигнала в полосе частот до 50−60 кНг.

Новизна разработанного метода подтверждена патентами Российской Федерации № 2 097 738 от 27.11.97 г. и № 2 105 302 От 20.02.98 г.

Практическое значение: разработан способ непрерывного, неразрушающего и автоматизированного контроля дисперсного состава пыли в газоходахпредложены методики и комплексы алгоритмов и программ оперативной обработкой информации на ПЭВМ, позволяющей проводить диагностику пылепереноса в технологическом процессеметодики соответствуют международным санитарно-гигиеническим нормам охраны труда.

Реализация работы.

Разработанные новые принципы измерения дисперсного состава пыли, установления связей между параметрами акустической эмиссии и параметрами пыли, позволяют осуществлять непрерывный, дистанционный контроль на предприятиях горнодобывающей, цветной металлургии и строительной индустрии. Методика измерения дисперсного состава пыли апробирована и внедрена в практику завода строительных материалов «Поликом» Ко: ЛТД г. Сочи, цеха пылеулавливания (ЦПУ) ОАО «Новочеркасский электродный завод» и на предприятиях АО «Гуковуголь» и Несветаевского шахтоуправления.

Результаты проведенных исследований используются в учебном процессе РГСУ при изучении курсов «Охрана труда» и «Охрана окружающей среды», апробированы в лабораторной практике в Московском государственном горном университете.

На защиту выносятся следующие основные положения: разработанные автором математические модели определения дисперсного состава пыли спектрально-тембровым акустическим методом в виде интерполяционного тригонометрического полинома Фурье и статических моментов позволяют анализировать и истолковывать процессы измерения дисперсной фазы пыли через энергетический и фазово-амплитудный спектрыпроцедура диагностики дисперсного состава пыли в потоке по акустическим сигналам позволяет производить непрерывный, неразрушающий контроль параметров дисперсности и концентрациисозданное программное обеспечение для числовой реализации защищаемой методики анализа дисперсного состава пыли и физические интерпретации акустических основных и тембровых гармоник спектров дает возможность применения ПЭВМ для быстрой и достаточно точной оценки пофракционной концентрации пыли, а также легко уточнять математическую модель и алгоритм ее обработки.

Апробация работы.

Основные положения работы доложены и получили положительную оценку на: научно-технической конференции «Экологически чистая энергетика» (г. Новочеркасск, 1994), Международной конференции «Ресурсои энергосберегающие технологии строительных материалов, изделий и конструкций» (г. Белгород, 1995), Международных студенческих научно-практических конференциях «Экология и регион» и «Город и экология» (г. Ростов-на-Дону, 1996), Международной научно-технической конференции «Молодая наука — новому тысячелетию» (г. Набережные Челны, 1996), Международном Конгрессе «Экологическая инициатива» (г. Воронеж — РФ, штат Канзас, Манхеттен — США, 1996), Международной научнопрактической конференции «Человек — Среда — Вселенная» (г. Иркутск, 1997), на ежегодных конференциях РГСУ (г.Ростов-на-Дону, 1995 1998 г. г.).

Практические результаты работы апробированы на предприятиях АО «Гуковуголь» и Несветаевского шахтоуправления, заводе стройматериалов «Поликом» Ко: ЛТД г. Сочи, Новочеркасском электродном заводе и лаборатории ИЦ МГГУ.

Публикации.

Результаты исследований по теме диссертации изложены в 14 работах, а также в двух патентах РФ.

Объем и структура работы.

Работа состоит из введения, пяти глав, выводов и заключения, списка использованной литературы и приложений. В ней содержится 199 страниц основного машинописного текста, 34 рисунка, 17 таблиц и 21 страница приложений. Список использованной литературы включает 110 наименований отечественных и зарубежных источников.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с планом НИР Ростовского государственного строительного университета (РГСУ) по госбюджетной теме № 01.9.200 4851 «Разработка и внедрение в практику систем жизнеобеспечения в производственных и окружающих средах» — по хоздоговорной теме «Разработка метода и средств контроля экологичности микроклимата кабины электровоза» ПО НЭВЗ г. Новочеркасска (1996 г.).

Диссертационная работа выполнена на кафедре Охраны труда и окружающей среды Ростовского государственного строительного университета под руководством заслуженного деятеля науки и техники Российской Федерации, доктора технических наук, профессора Журавлева В. П. и кандидата технических наук, доцента Муханова В.В.

ВЫВОДЫ.

1. Систематически действующие помехи благодаря спектральному анализу могут быть на 90−97% устранены программно после разложения помехи на основные и тембровые составляющие (т.е. рассматривая помеху как псевдофракцию со знаком минус). При этом предлагаемый метод дает возможность оценить и исключить любую помеху, даже действующую не стационарно, а появившуюся в текущий момент времени в процессе измерения. Для этого достаточно отключить на несколько секунд общий поток воздуха в пылепроводе и дать возможность подпрограмме «помеха» выполнить ее анализ и пофракционное удаление компонентов помехи.

2. Погрешности определения дисперсного состава зависят от разрешающей способности алгоритма и близкого расположения основных и тембровых частот для различных по морфологическому составу пылей, дает и некоторое преимущество, а так как при небольшом диапазоне разброса основных частот даже грубая оценка амплитуд подспектра и помехи дают в результате незначительные изменения подсчитанного компьютером дисперсного состава пыли.

3. Предлагаемый метод отличается возможностью его усовершенствования и резкого уточнения при логическом анализе спектральных составляющих. Привлечение ЭВМ для управления технологическими процессами является веленьем времени. Затраты на ЭВМ составляют по современным данным от полутора до двух тысяч долларов США, то есть вполне себя оправдывают и окупают.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Целью выполненной исследовательской работы является разработка спектрально-акустической методики неразрушающего контроля дисперсного состава пылегазового потока в технологических трубопроводах и каналах вентиляционных систем.

В результате выполненных теоретических и экспериментальных исследований:

1. Разработан и доведен до опытно-производственной эксплуатации в условиях заводской лаборатории и цехового контроля новый метод оценки дисперсного состава пыли с помощью спектрального анализа акустического сигнала, генерируемого механической цепочкой передачи звукового ударно-импульсного взаимодействия, движущихся с несущим газовым потоком частиц пыли и с чувствительными органами датчика.

2. Показано, что суммарный сигнал акустической эмиссии и его частотный состав содержит в качестве гармоник Фурье ответные частоты механической цепочки передачи сигнала, а не собственные колебания пылевых частиц, возникающие при ударных взаимодействиях.

3. Информация о дисперсном составе перемещающегося пылевого облака содержится в частотах и амплитудах основных и тембровых гармоник подспектров Фурье и образует информационный сигнал в диапазоне от О до 60 kHz.

4. Частотный состав подспектров для выделяемых интервалов дисперсности надежно формируется с помощью целочисленного масштабного анализа предназначенного для обеспечения корректности обратного преобразования Фурье для восстановления дискретной временной выборки из генеральной совокупности.

5. Предложен эффективный способ вычисления отсчетов весовой функции предназначенный для полной линеаризации компонентов информационного сигнала и обеспечения требуемой разрешающей способности и чувствительности пылеметрического алгоритма.

6. Разработан эффективный пакет программного обеспечения для обработки информационного сигнала и пересчета его в дисперсный состав переносимого потоком пылевого облака, в процентном содержании и в концентрациях, для требуемых интервалов фракционного анализа пыли.

7. Разработанная методика дисперсного анализа пыли с помощью персональной ЭВМ защищена двумя патентами Российской Федерации [85,87].

8. Предложено инженерное приложение акустической спектрально-тембровой методики определения дисперсного состава пыли в несущем потоке использующие логические блоки и ПЭВМ отвечающие современным международным требованиям.

9. Точность достигаемая при цифровой обработки акустической информации поступающего от датчика аддитивно складывается с погрешностями вносимыми контрольным эталонным весовым методом и потому не может превзойти точность последнего, что касается внутренней погрешности предлагаемого метода, то она не превышает 5 — 7% и была определена в лабораторных условиях микроскопическим статистическим анализом.

10. Используя кибернетическую информационную цепочку для сбора акустической информации и ее переработки на ЭВМ числовым методом, открывает большие перспективы по совершенствованию и развитию предлагаемой методики иылеметрии. Это включает в себя возможности самотестирования, самодиагностику логических и процессорных блоков, программное повышение разрешающей способности и точности измерения, автоматическое управление технологическим процессом, гарантиями эко-логичности обслуживаемого объекта, возможность международного сертифицирования и выхода на международную экономическую конкурентоспособность, после признания апробированного метода достаточно точным по международным нормам и правилам.

11. Методика адаптации предложенного способа оценки дисперсного состава пыли основывается на проведении промышленного эксперимента под контролем стандартного весового и микроскопического методов.

При этом сравнивая результаты анализов дисперсного состава пыли определяют по предложенной методике весовые функции (весовые коэффициенты) с помощью которых достигается необходимая точность оценки дисперсного состава. В процессе эксплуатации адаптацию выполняют в порядке метрологической проверки специальные экологические службы которые могут выдавать разрешение на продолжение дальнейшей эксплуатации аппаратуры.

12. Предлагаемая методика оценки дисперсности пыли может применяться и в условиях заводских КИП, для лабораторных анализов которые являются основной ветвью использования предложенной методики. Экономическая целесообразность использования предлагаемого метода пыле-метрии основана на неуклонном снижении стоимости универсальных ЭВМ и общей мировой тенденции сводящейся к требованию, что во всех ответственных измерениях производственного процесса обязательно применение контролирующих и управляющих ЭВМ. Контрольный расчет экономической значимости дает следующие оценки: затраты составляют 88 984,63 руб./комплект. Окупаемость гарантируется в течении 1,5 лет.