Технические науки/2. Механика

Аспирант Агарков А.М.,

студент Краснов В.В., студент Локтионов И.С.

Белгородский государственный технологический

университет им. В.Г. Шухова, Россия

Классификация аэрозолей, выделяемых оборудованием цементных заводов

В цементном производстве общее количество, подлежащее выделению из газодисперсного состояния материала, достигает 30…40 % от количества выпускаемой продукции. При этом безвозвратный пылеунос из цементных печей составляет 1 %, а из цементных мельниц – 0,5 %, в то время как за рубежом достигнуты прозрачные выбросы, соответствующие пылеуносу в 0,1 % и концентрации пыли в выбросах 10...20 мг/м³.

Аэрозоли цементного производства представляют собой гетерогенные системы, состоящие из газовой несущей среды и взвешенных в ней твердых частиц сырьевых компонентов или готового продукта – цемента.

Выделение запыленных газов происходит почти во всех технологических процессах производства цемента. Сопровождающие эти процессы газодисперсные течения можно условно разделить на технологические потоки, которые переносят мелкодисперсные сыпучие материалы и запыленные потоки, не выполняющие пневмотранспортных функций, которые после очистки выбрасываются в атмосферу. К ним относятся аспирационный воздух, который отсасывается из технологических агрегатов, и отходящие газы, удаляемые из сушильных агрегатов и вращающихся печей. Воздух технологических потоков после отделения твердой фазы и очистки также выбрасывается в атмосферу. Суммарные объемы запыленных газовых выбросов цементных заводов достигают миллионов кубических метров в час. Для их очистки применяются циклоны, рукавные фильтры, электрофильтры и другие пылеуловители, однако, остаточная запыленность выбросов нередко превышает предельно-допустимые значения.

Это приводит к большим потерям сырья и готового продукта, наносит вред окружающей среде, создает неблагоприятную пылевую обстановку, что негативно сказывается на здоровье работающих и вызывает у них профессиональные заболевания.

Одним из важных условий повышения эффективности существующих пылеуловителей и разработки новых энергосберегающих и высокоэффективных систем пылегазоочистки является более полный и точный учет физико-механических свойств аэрозолей цементного производства еще на стадии разработки и проектирования пылеулавливающих систем.

Свойства газовой среды.

Значительная часть газовых выбросов цементных заводов обусловлена работой аспирационных систем. Свойства аспирационного воздуха определятся его расходом, содержанием пыли, влаги и температурой (табл. 1).

Таблица 1

Параметры аспирационного воздуха

Оборудование, технологический процесс	Объемный расход, нм^3/c	Концентрация пыли г/нм^3		Темпера-тура, °С	Влажность, г/м^3
		до шахтной аспирационной коробки	после шахтной аспирационной коробки
Цементные мельницы открытого цикла	5,5	100	33	90...150	20...280
Цементные мельницы замкнутого цикла	10	100	39	75...130	31...79
Разгрузка цемента в силосы и его погрузка в транспорт	2,4	5...15		30...80	10...15
Упаковка цемента на машине карусельного типа	3,6	4...10		20...60	10...15

Объемный расход аспирируемого воздуха Q, м³/c зависит от типа оборудования, его производительности, свойств перерабатываемого материала и, как следует из табл. 1, изменяется в широких пределах. Зависимость объемного расхода аспирируемого воздуха от температуры определяется уравнением его состояния:

,

(1)

где P – давление газа, Па; V_г – его объем, м³; M – молярная масса газа, кг/кмоль; R = 8314,4 Дж/(кмоль×К) – универсальная газовая постоянная; T – абсолютная температура газа, К.

С помощью уравнения (1) объемный расход, заданный при давлении P= P_б ... P_а и температуре t_a, можно привести к расходу при нормальных условиях (P₀ = 101325 Па, T₀ = 273 К (0 °С )).

,

(2)

где Q_а, Q₀ – объемные расходы аспирируемого воздуха в рабочих (t_a, P_б ...P_а) и нормальных (p₀, T₀) условиях, нм³/c, P_б – атмосферное (барометрическое) давление; P_a, t_a – разрежение и температура в аспирационном укрытии или в аспирируемом агрегате.

Как следует из формулы (2), объемный расход аспирационного воздуха по мере его перемещения по цепочке воздуховодов и агрегатов меняется, а постоянным остается лишь массовый расход:

,

((3)

где r₀ – плотность аспирационного воздуха при нормальных условиях. При определении r₀ следует учитывать запыленность и влажность аспирируемого воздуха.

Относительное содержание пыли в аспирируемом воздухе может выражаться не только ее концентрацией Z, кг/м³, но и объемной концентрацией β, м³/м³, равной суммарному объему всех частиц, находящихся в 1 м³ запыленного воздуха, а также счетной концентрацией n, 1/м³, равной количеству всех частиц, находящихся в 1 м³ запыленного газа. Эти концентрации связаны между собой соотношениями:

Z = βrT ; ,

(4)

где r_з.в – плотность запыленного воздуха:

.

(5)

Пылевоздушные потоки цементного производства практически всегда являются влажными. Влажный воздух будем рассматривать как бинарную смесь, состоящую из сухого воздуха – условно однородного газа с молярной массой М_с.в = 29 кг/кмоль и водяного пара – газа с молярной массой M_П = = 18 кг/кмоль.

Каждый из этих газов при одной и той же температуре занимает один и тот же объем V, имеет свое парциальное давление:

.

(6)

Сумма этих парциальных давлений равна давлению аспирационного воздуха:

,

(7)

где ; – плотность влажного воздуха; – массовые доли сухого воздуха и пара.

Из соотношения (7) следует выражение для плотности влажного воздуха:

.

(8)

Из соотношения (8) вытекает следующее:

– во-первых, влажный воздух можно рассматривать как условно однородный газ с молярной массой

(9)

– во-вторых, плотность влажного воздуха меньше плотности сухого воздуха, так как , а .

Если влажность аспирационного воздуха задана массой водяного пара d в 1 м³ при нормальных условиях, тогда

^,

(10)

и формула (2.8) принимает вид:

.

(11)

При обычных условиях аспирации парциальное давление водяного пара мало, по сравнению с давлением воздуха. Полагая , получим:

.

(12)

Плотность аспирационного воздуха при рабочих условиях равна:

^.^.

(13)

В некоторых случаях влажность воздуха удобнее характеризовать его влагосодержанием d_м, равным массе водяного пара, приходящегося на 1 кг сухого воздуха:

.

(14)

Так как, в 1 кг сухого воздуха при нормальных условиях занимает объем

м³, то

.

(15)

Парциальное давление водяного пара может быть выражено через относительную влажность воздуха φ:

РП = РНП φ,

(16)

где P_НП – парциальное давление водяного пара при полном насыщении воздуха водяными парами.

Давление насыщенного водяного пара зависит только от температуры. Эта зависимость, в характерном для аспирации диапазоне температур, приближенно выражается формулой:

,

(17)

где t – температура воздуха, °С.

Относительная влажность воздуха определяется опытным путем с помощью специальных приборов.

Важной характеристикой запыленных газов является динамическая вязкость газовой среды, оказывающая существенное влияние на процессы пылеулавливания. Динамическая вязкость влажного воздуха μ определяется формулой

(18)

где – коэффициенты динамической вязкости сухого воздуха и водяного пара соответственно; – их относительные объемные доли:

, .

(19)

Здесь – объемы сухого воздуха и пара, приведенные к нормальным условиям. С помощью уравнения состояния (1) объемные доли компонентов влажного воздуха можно выразить через их массовые доли:

.

(20)

Входящая в формулу (18) молярная масса влажного воздуха с помощью формул (10) может быть приведена к виду:

,

(21)

где кг/м³, кг/м³ – плотности сухого воздуха и водяного пара при нормальных условиях.

Динамическая вязкость газов с увеличением температуры возрастает. Для сухого воздуха и водяного пара эти зависимости выражаются формулами:

,	(22)
,	(23)

где μ₁₀ = 1,75∙10^–5 Па×с и μ₂₀ – коэффициенты динамической вязкости сухого воздуха и водяного пара при 0 °С. Подставив соотношения (22) и (23) в формулу (18), найдем зависимость вязкости воздуха от влажности и температуры.

Необходимым условием надежной работы аспирационных и пылеулавливающих систем является поддержание температуры запыленных потоков на 10...15 градусов выше точки росы, что позволяет избежать конденсации водяных паров, залипания воздуховодов, осадительных и фильтрующих поверхностей.

Температура точки росы влажного аспирационного воздуха определяется по его температуре и относительной влажности φ_р из уравнений (14), (16) и (17):

(24)

где φ_р – относительная влажность, при которой начинается конденсация водяных паров. Поскольку частицы пыли являются дополнительными ядрами конденсации, то для запыленных газов φ_доп. ≤ 1. Обычно принимают φ_доп. = = 0,95.

Допустимое снижение температуры аспирационного воздуха показано на рис. 1.

Рис. 1. Зависимость температуры точки росы от температуры аспирируемого воздуха