Защита воздушного бассейна городских территорий от загрязнения вентиляционными выбросами трубоэлектросварочных производств

СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА НЕЙТРАЛИЗАЦИИ ВЫБРОСОВ 10 ТРУБОЭЛЕК’ГРОСВАРОЧНЫХ ПРОИЗВОДСТВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПЛАЗМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ Особенности производства электросварных труб большого 10 диаметра.

Технологические особенности процессов плазменной резки 14 и сварки труб.

Состав и объем аэрозольных выделений в процессах плаз- 17 менной резки и сварки металла.

Техногенные свойства аэрозольных выделений при плазмен- 20 ной резки и сварке труб.

Характерные виды локализующей вентиляции установок 21 плазменной резки и сварки труб.

Современные методы и средства очистки выбросов устано- 24 вок плазменной резки и сварки труб.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 1 33.

НАТУРНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЫБРОСОВ УСТАНОВОК 35 ПЛАЗМЕННОЙ РЕЗКИ И СВАРКИ ТРУБ.

Общая характеристика объекта натурного исследования 35.

Краткая характеристика источников выделения выбросов 36.

ТЭСЦ

Методика проведения инструменталыIых измерений и обра- 38 ботки их данных.

Результаты обобщения данных натурных исследований 42.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 2 46.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ УЛАВЛИВАНИЯ В НЕ- 47 НО ДИН, А МИ ЧЕС К ОМ СЛОЕ ПОГЛОТИТЕЛЯ Факторы осаждения аэрозольных частиц 47.

Оценка условий реализации процесса обеспыливания в не- 50 нод и нами ческом слое.

Закономерности осаждения аэрозоля при прямоточном дви- 53 жен и и фаз и ненодинамическом слое.

Зависимость поверхности осаждения аэрозоля от условий 56 формирования пен од и 11 ами ческого слоя.

Взаимосвязь коэффициента массопередачи с условиями 59 формирования п енод и н ам и ческого слоя.

ВЫВОДЫ, НО ГЛАВЕ 3 63.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОГЮ- 64 МЕРНОСТЕЙ УЛАВЛИВАНИЯ СВАРОЧНОГО АЭРОЗОЛЯ В ВИХРЕПЕННОМ СКРУББЕРЕ.

Общие условия моделирования исследуемых процессов 64.

Аппаратурное оформление экспериментов по исследованию 65 закономерностей пылеулавливания.

4.3 Методика проведения экспериментов 68.

4.4 Математическое планирование и проведение эксперимента 73.

4.4.1 Обоснование условий постановки многофакторного экспе- 73 римента.

4.4.2 Условия и результаты предварительного эксперимента 74.

4.4.3 Выбор факторов и параметров исследуемого процесса 78.

4.4.4 Кодирование факторов, выбор модели плана эксперимента 79.

4.4.5 Проверка воспроизводимости опытов 80.

4.4.6 Определение коэффициентов уравнения регрессии и оценка 80 их значимости.

4.4.7 Проверка адекватности уравнения регрессии 82.

4.4.8 Интерпретация полученных результатов 82 ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4 83.

ГЛАВА 5 АНАЛИЗ УСЛОВИЙ ЭФФЕКТИВНОЙ НЕЙТРАЛИЗАЦИИ 86 ВЫБРОСОВ ПЛАЗМЕННОЙ РЕЗКИ ТРУБ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВИХРЕПЕННЫХ СКРУББЕРОВ.

5.1 Условия выбора технологических характеристик очистки 87 выбросов плазменной резки и сварки труб.

5.2 Определяющие факторы эффективности рассеивания аэро- 90 зольных выбросов плазменной резки и сварки.

5.2.1 Влияние конструкти вн о-иланировочных характеристик про- 90 изводственного здания на рассеивание аэрозольных выбросов.

5.2.2 Особенности влияния кон структи вн о го исполнения выпуска 91 на формирование факела аэрозольного выброса.

5.3 Оценка требуемого эффекта очистки аэрозольного выброса в 94 газоочистной установке.

5.4 Режимно-тсхнологические условия построения аппаратур- 97 ной схемы установки вихрепенной очистки.

5.5 Автоматическое регулирование и обеспечение заданного 99 режима работы установки вихрепенной газоочистки.

5.5.1 Технологические основы управления процессом очистки 100.

5.5.2 Конструкция блока-регулятора ВПИС 102.

5.5.3 Принцип действия блока-регулятора ВПИС. 103.

5.6 Основы поверочного расчета режимных параметров устано- 104 вок вихрепенной газоочистки.

5.7 Оценка технико-экономической эффективности установки 108 вихрепенной газоочистки.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 5 109.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

111.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 113.

ПРИЛОЖЕНИЕ 123.

Актуальность проблемы Производство электросварных труб является одной из наиболее динамично развивающихся отраслей промышленности, предприятия которой, как правило, расположены в зоне городских территорий. Характерными тенденциями развития современных крупных городских комплексов являются повышение плотности их застройки многоэтажными зданиями и интенсивное освоение пустующих территорий, в значительной части случаев непосредственно примыкающих к активно функционирующим промышленным зонам. При этом трубоэлектросварочное производство отличается последовательным осуществлением ряда технологически сложных операций, включая процессы плазменной механизированной сварки и резки металла. В ходе этих процессов образуется значительное количество неоднородных ныле-газовых выделений, выбросы которых в атмосферу отличаются высоким уровнем содержания загрязняющих веществ, способных оказать существенное техногенное воздействие на состояние воздушной среды. Так, анализ качества внутрицеховой атмосферы, воздушной среды промышленных зон предприятий, а также прилегающей к ним городских территорий показывает, что степень защиты воздушного бассейна от загрязнения данными выбросами не в полной мере отвечает нормативным требованиям.

Учитывая возрастающую потребность современной экономики в наращивании объемов производства и сортамента труб, проблему защиты воздушной среды от загрязнения выбросами установок плазменной резки и сварки металла при производстве труб, особенно большого диаметра, следует считать весьма актуальной.

Практика показывает, что применительно к условиям очистки неоднородных пылегазовых выбросов местной вытяжной вентиляции, содержащих как-твердофазные, так и газообразные загрязняющие компоненты, в различных отраслях промышленности успешно используются аппараты мокрой очистки. То же самое, отмечается и в отношении аэрозольных (пылевых) выбросов, характеризующихся большим содержанием м ел код и с перси ых фракций. Так па предприятиях трубной промышленности для очистки сварочных аэрозолей и отходящих газов установок плазменной резки труб наибольшее применение получили аппараты ударно-инерционного действия, ротоклоны отечественного и импортного производства, пенные аппараты различных модификаций и пенно-вихревые скрубберы. Применение последних представляется наиболее перспективным, т.к. они показывают высокую эффективность извлечения мелкодисперсных пылевых фракций, характеризуются высокой интенсивностью осуществляемых процессов и, поэтому отличаются значительно меньшими габаритными размерами, требующими значительно меньших дорогостоящих производственных площадей для размещения.

Общим недостатком названных типов аппаратов является относительная ограниченность скоростного (расходного) диапазона эксплуатации, в пределах которого стабильно обеспечивается проектная эффективность очистки. Это существенно снижает возможность эффективной эксплуатации таких аппаратов в условиях нестационарное&tradeобъемов газов, подаваемых на очистку системами местной вытяжной вентиляции установок плазменной резки и сварки труб.

Цель работыснижение экологически опасного воздействия на воздушный бассейн городских территорий вентиляционных выбросов трубоэлектро-сварочных производств посредством оптимизации режимных параметров и конструктивного оформления процессов их обеспыливания в интенсивных аппаратах вихрепенной очистки.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

— оценка процессов механизированной сварки плазменной резки металла, как источника пылевыделений, определяющего мощность и состав их вентиляционных выбросов в атмосферу;

— исследование дисперсного состава и основных свойств аэрозольных выбросов, образующихся в процессах плазменной резки и сварки металлов в условиях трубоэлектросварочного производства;

— обобщение определяющих факторов и условий эффективной реализации процессов улавливания мелкодисперсных частиц пылей в вихрепенных инжек-ционных скрубберах;

— теоретическое и экспериментальное исследование закономерностей улавливания в вихрепенных инжекционных скрубберах мелкодисперсных аэрозольных компонентов пылегазовых выбросов установок плазменной резки и сварки металла трубоэлектросварочных производств;

— совершенствование тех н о л о ги ч ее ких характеристик вихрепенных инжекционных скрубберов для условий очистки мелкодисперсных пылегазовых выбросов установок плазменной резки труб трубоэлектросварочных производств;

— разработка инженерных решений и рекомендаций по снижению загрязнения воздушной среды промышленных зон и прилегающих территорий при очистке выбросов установок плазменной резки труб в вихрепенных инжекционных скрубберах.

Основная идея работы состоит в снижении экологически опасного воздействия аэрозольных выбросов местной вытяжной вентиляции установок механизированной сварки и плазменной резки труб на состояние воздушной среды промышленных зон и городских территорий путем совершен сгвован и я режимных параметров и ко н структи в, но го оформления процессов их обеспыливания в интенсивных аппаратах вихрепенной очистки на основе компоновочной оптимизации размещения устройств ценообразования.

Методы исследования включали: аналитическое обобщение известных научных и технических результатов, математическое и физическое моделирование, обработку э к с п ер и м е н тал ь н ы х данных методами математи чес ко й статистики и корреляционного анализа.

Достоверноегь научных положений, выводов и рекомендаций обоснована применением классических положений механики аэрозолей и аэродинамики струйных течений при моделировании изучаемых процессов, планированием необходимого объема экспериментов, подтверждена удовлетворяющей сходимостью полученных результатов экспериментальных исследований, выполненных в лабораторных и промышленных условиях, а также с результатами других авторов и патентной чистотой разработанного технического решения.

Научная новизна работы:

— теоретически обоснована взаимосвязь эффективности осаждения частиц пыли от параметров формирования пенодинамического слоя в режиме вихревой инжекции и конструктивных характеристик узла контактирования очищаемого газа и жидкости;

— предложена математическая модель, характеризующая процесс осаждения аэрозольных частиц в пенодинамическом слое, формируемом в режиме вихревой инжекции;

— экспериментально исследованы и обобщены в форме уравнений регрессии закономерности процесса осаждения аэрозольных частиц в пенодинамическом слое, формируемом посредством вихревой инжекции поглощающей жидкости закрученным потоком очищаемого газа;

— на основе корреляционного анализа экспериментальных данных подтверждена удовлетворяющая степень реализации полученных уравнений регрессии процесса улавливания аэрозольных частиц и гидравлических потерь напора газа при пенодинамическом контакте очищаемого газа с поглощающей жидкостью в режиме вихревой инжекции;

— обобщением экспериментальных данных установлены закономерности характеризующие режимно-технологические условия эффективного улавливания аэрозольных частиц и гидравлических потерь в слое динамической пены, формируемом посредством вихревой инжекции поглощающей жидкости;

Практическая значимость диссертационной работы:

— сформулированы принципы унификации аппаратурного оформления процесса очистки выбросов электросварочных процессов, при контакте с поглощающей жидкостью в режиме вихреинжекционного пенообразования;

— определена унифицированная структурная и технологическая схемы многокамерного м одул и ро ван н ог о вихрепенного инжекционного пенного скруббера для очистки выбросов установок механизированной сварки и плазменной резки труб трубоэлектроеварочных;

— получены расчетные формулы режимных параметров процесса эффективной очистки аэрозольных выбросов термоагрегатов плазменной резки и сварки труб в вихрепенных инжекционных скрубберах;

— обобщены факторы и уточнены режимно-техпологические характеристики, определяющие динамику и закономерности загрязнения воздушного бассейна промышленных зон и городских территорий выбросами установок механизированной сварки и плазменной резки металла при производстве труб большого диаметра;

Использование результатов работы:

— разработаны и переданы ООО «ПТБ ПСО Волгоградгражданстрой» рекомендации по расчету и эффективной эксплуатации установок вихрепенно инжекционных скрубберов для очистки аэрозольных выбросов систем местной вытяжной вентиляции трубоэлекгросварочиых производств;

— ООО «НИШ! Волгогорхимсгрой» переданы рекомендации по применению многокамерных модулированных вихреинжекционных скрубберов в качестве эффективного средства очистки выбросов мелкодисперсных пылей;

— материалы диссертационной работы используются кафедрой. ПБиГЗ ВолгГАСУ при подготовке инженеров по направлению «Техносферная безопасность».

На защиту выносятся:

— теоретические и экспериментальные результаты исследования закономерностей улавливания аэрозольных компонентов выбросов установок механизированной сварки плазменной резки труб большого диаметра в пенодинамиче-ском слое, формируемом посредством вихревой инжекции поглощающей жидкости закрученным потоком очищаемого газа;

— математическая модель характеризующая процесс осаждения аэрозольных частиц в иен одина м и ческом слое, формируемом в режиме вихревой инжекции поглощающей жидкости закрученным потоком очищаемого газа;

— уравнения регрессии и расчетные зависимости, характеризующие эффективность и гидравлические потери в процессе улавливания аэрозольных компонентов выбросов от установок механизированной сварки и плазменной резки металла труб в многокамерных вихрепенных инжекционных пенных скрубберах;

— результаты натурного исследования определяющих факторов и численною эксперимента по оценке условий эффективной нейтрализации техногенного воздействия выбросов трубоэлектросварочных производств на состояние воздушного бассейна городских территорий;

— унифицированная технологическая схема многокамерной модулированной установки вихрепенных инжекционных скрубберов для очистки аэрозольных выбросов термоагрегатов плазменной резки металла;

— основы расчета режимных параметров процесса эффективного обеспыливания выбросов установок механизированной сварки и плазменной резки груб в многокамерных вихрепенных инжекционных скрубберах.

Апробация результатов диссертации.

Основные положения и результаты работы докладывались и получили одобрение на научно-технических конференциях: Всероссийской научно-технической конференции «Научные концепции повышения жизненного уровня населения на современном этапе развития России» (Кисловодск, 2005.), Международной научно-технической конференции «Наука и технологии шаг в будущее» (Белгород. 2006), III международной научно-практической конференции «Качество внутреннего воздуха и окружающей среды» (Волгоград, 2006), Международной конференции «Наука и образование: архитектура, градостроительство и строительство» (Волгоград, 2010), Всероссийской научно-практической конференции «Экологические проблемы промышленных городов» (Саратов, 2011).

Публикации Основные результаты исследований по теме диссертации опубликованы в 8 работах, в том числе в 2-х изданиях, рекомендованных ВАК и 1 -им — патентом РФ на полезный образец.

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 117 наименований, и приложений общим объемом 140 страниц, содержит 29 рисунков и 11 таблиц.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 5.

1. Эффективность очистки аэрозольных выбросов процессов плазменной резки и сварки труб должна обеспечиваться исходя из условий последующего рассеивания остаточных концентраций с учетом их формирования.

2. Основными факторами, определяющими особенности формирования выбросов плазменной резки и сварки является мощность и цикличность образования аэрозоля, аэродинамические и температурные условия формирования факела выброса и консгруктивно-п л анировочных особенностей зданий трубоэлек-тросварочных цехов.

3. Исходя из комплексного проявления определяющих факторов, в процессе образования, локализации, очистки и рассеивания выбросов плазменной резки и сварки, достаточной степенью очистки можно считать эффективность обеспечиваемую на уровне 92%.

4. Эффект проявления взаимосвязи образования аэродинамических теней корпусами зданий трубоэлектросварочных цехов и условий рассеивания выбросов, в оценке требуемой степени очистки, необходимо учитывать их доминирующее влияние на формирование приземных концентраций в промзоне предприятия и, тем самым, на состояние внутрицеховой атмосферы.

5. Для условий варьирования объемов очищаемого выброса наиболее рациональной является схема многокамерной компоновки параллельных зон контактной очистки в единичном корпусе вихрепенного газоочистного аппарата.

6. По степени надежности обеспечения заданного эффекта очистки В ПС является механическая система регулирования режимных уровней жидкости в аппарате в те хн о л о ги ч е с к и х условиях нестабильности режима работы.

7. По фу н к ц и о н ал ь н о й эффективности и экономическим показателям разработана аппаратурно-технологическая схема скрубберов ВИС, которая имеет существенные преимущества по сравнению с известными аналогами.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе дано решение актуальной задачи разработки методов и средств защиты населения от негативных воздействий и загрязнений городской среды на примере нейтрализации аэрозольных выбросов установок механизированной сварки и плазменной резки металлов трубоэлектросвароч-ных производств посредством совершенствования режимных параметров и конструктивного оформления процессов их обеспыливания в интенсивных аппаратах вихрепенной очистки.

На основании результатов проведенных теоретических и экспериментальных исследований можно сделать следующие основные выводы по работе:

— анализ современных средств пылегазоочистки на основе оценки особенностей тех н ол о ги чес ко го процесса труб о эл е ктро с варо ч н о го производства позволяет рассматривать в качестве наиболее перспективного газоочистного оборудования для условий нейтрализации выбросов установок плазменной резки и сварки труб интенсивные пенно-вихревые аппараты, функционально-технологические характеристики, которых учитывают отличительные особенности процесса образования и свойства аэрозольных выбросов;

— результатами натурных измерений определены и уточнены свойства аэрозольных компонентов вентиляционных выбросов трубоэлектросварочных производств и установлены их количественные характеристики для установок механизированной сварки и плазменной резки труб большого диаметра;

— исходя из гидродинамических закономерностей вихреинжекционного формирования структуры динамической пены оценены определяющие факторы осаждения аэрозольных частиц в пен од и н ам и чес ко м слое поглотителя и получены зависимости, описывающие процесс улавливания аэрозольных частиц как результата межфазного переноса, определяемого условиями образования и обновления свободной поверхности осаждения в объеме пенодинамиче-ского слоя;

— проведено экспериментальное исследование закономерностей процессов обеспыливания воздушного потока в режиме вихрепенного инжекционного контакта с поглощающей жидкостью, которое позволило оценить взаимосвязанное действие всей совокупности определяющих их факторов и на основе статистической обработки экспериментальных данных получить математическую модель процесса обеспыливания в форме уравнений регрессии для величины остаточной запыленности 8 и гидравлических потерь на осуществление процесса, А Р;

— на основании проведенных исследований и обобщений разработана обладающая патентной новизной компоновочная схема и разработана модульная конструкция вихрепенного инжекционного скруббера, основанная на принципе радиально-симметричного размещения инжекторных (контактных) камер в цилиндрическом корпусе устройства, позволяющем увеличивать производительность по очищаемому газу и стабильность режима обеспыливания в каждой камере применительно к задачам оптимизации функциональных (/-) и энергетических (АР) характеристик процесса обеспыливания в многокамерных вихрепен-ных инжекционных скрубберах получены формулы для их инженерных расчетов:

— посредством численного эксперимента по оценке эффекта рассеивания, выполненного исходя из аэродинамики формирования факела выброса, свойст в составляющих его компонентов и конструктивно-планировочных характеристик здания установлен минимально необходимый уровень очистки пылеулавливающего устройства, обеспечивающий значения 11ДВ экологически безопасный для воздушного бассейна прилегающих городских территорий;

— на основании сравнительного анализа установлено, что по функциональной эффективности и технико-экономическим характеристикам разработанное аппаратурное оформление процесса очистки аэрозольных выбросов плазменной резки и сварки труб в форме пенновихревого инжекторного скруббера имеет существенные преимущества по сравнению с известными высокоэффективными аппаратами.