Защита атмосферного воздуха при сухом способе производства цемента

Министерство  науки и образования российской Федерации

 

Калужский филиал федерального государственного бюджетного

образовательного  учреждения высшего профессионального

 образования  «Московский государственный технический  университет

имени Н.Э. Баумана»

(КФ МГТУ им. Н.Э. Баумана)

 

 

Факультет фундаментальных  наук

 

Кафедра промышленной экологии ФН2-КФ

 

 

 

РАСЧЕТНО-ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ  ЗАПИСКА

к курсовому  проекту

по дисциплине «Системы защиты среды обитания»

на тему

«ЗАЩИТА АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА ПРИ СУХОМ

СПОСОБЕ ПРОИЗВОДСТВА ЦЕМЕНТА»

 

 

 

 

 

 

                                                                                                 

 

 

 

                                                                                                        Выполнила: Петруша М.В.

          Группа: ЭКД-81

                                                                                                        Преподаватель: Яковлева О.В.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Калуга 2012

Содержание

 

Введение…………………………………………………………………………………………… 3

1  Описание производства………………………………………………………………………... 4

2 Обоснование выбора технологической  схемы………………………………………………... 6

3 Технологическая  часть………………………………………………………………………… 10

    3.1 Выбор циклона……………………………………………………………………………. 10

    3.2 Выбор  скруббера………………………………………………………………………….. 13

    3.3 Выбор  электрофильтра…………………………………………………………………… 16

4 Расчет аппаратов  очистки воздуха…………………………………………………………… 20

    4.1 Расчет  циклона……………………………………………………………………………. 20

    4.2 Расчет  скруббера………………………………………………………………………….. 27

    4.3 Расчет электрофильтра…………………………………………………………………… 34

Заключение………………………………………………………………………………………. 37

Список использованных источников…………………………………………………………... 39

Приложение  А. Чертежи технологической схемы очистки воздуха

и пылеулавливающего  оборудования…………………………………………………………..40

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

При производстве цемента из печей в атмосферу  выделяется большое количество запыленных газов. Основными источниками пылевыделения на цементных заводах являются печи для обжига клинкера мокрого и сухого способов производства [1]. При сухом способе производства дробленые сырьевые материалы высушиваются и тонко измельчаются. Полученная сырьевая мука после корректирования и усреднения до заданного химического состава обжигается во вращающихся или шахтных печах. На обжиг клинкера расходуется от 750 до 1200 ккал/кг клинкера. Сухой способ производства экономически более целесообразен, так как суммарный расход тепла на сушку сырьевых материалов и на обжиг клинкера ниже, чем расход тепла на обжиг этих материалов при мокром способе производства. 

При сухом способе выбрасывается 3 – 5 т пыли с температурой 350—400^°C. При таком загрязнении необходимо очищать воздух за печью до допустимых концентраций.

Целью проекта  является разработка наиболее рациональной технологической схемы очистки газов от загрязняющих веществ.

Задачи:

- изучить особенности производства цемента сухим способом;

- изучить физико-химические свойства загрязняющих частиц;

- рассчитать необходимую степень очистки и массу веществ, поступающих на очистку и на основании этого выбрать схему очистки  и пыле-, газоочистное оборудование.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Описание производства

 

Все сырьевые материалы, применяемые для изготовления цемента, после добычи в карьерах и доставки на завод подсушивают, дробят и измельчают (при сухом способе производства цемента — до пылевидного состояния), чтобы увеличить их реакционную поверхность. Полученную сырьевую шихту (после усреднения се состава в силосах) обжигают при высокой температуре в клинкерообжигательных вращающихся или шахтных печах, затем охлаждают в холодильниках. После этого она поступает на промежуточный склад. Продукт обжига клинкера с гипсом и другими добавками измельчают в мельницах; полученный при этом цемент транспортируется на склад (в силосы), откуда он в специальной таре отправляется потребителю.

Основными источниками  пылевыделения на цементных заводах  являются печи для обжига клинкера мокрого и сухого способов производства. При мокром способе производства на каждую тонну обжигаемого клинкера из вращающихся печей выносится с запыленными газами 5,3—7,3 т пыли с температурой 140—400^°С, содержащей (даже при хороших внутрипечных пылеподавляющих устройствах — гирляндных цепных завесах) от 80 до 250 кг полуобожженной сырьевой шихты в виде дисперсной пыли.

При сухом способе  производства количество сухих запыленных газов, выносимых из современных  печей, на 25—45 % меньше, однако температура их достигает 350-400 ^°C, а масса тонкодисперной пыли составляет 50—120 кг на 1 т клинкера.

Кроме того, из колосниковых холодильников клинкера, устанавливаемых у всех мощных современных печей, выбрасывается на каждую тонну клинкера 1,1 — 1,8 т сухого горячего воздуха (с температурой 150—290 °С), содержащего 7— 10 кг клинкерных частиц.

В таблице 1 дана характеристика пылей цементного производства [1].

Более 80% пыли, выбрасываемой в атмосферу, выделяется вращающимися печами, а остальное количество — цементными и сырьевыми мельницами (сухого помола), дробильно-сушильными установками, а также силосами хранения сырьевых материалов, добавок, клинкера и цемента.

 

 

 

 

Таблица 1 –  Характеристика пылей цементного производства

Техноло- гичес- кое оборудо- вание	Параметры пылевого потока				Удель- ное элект- ричес- кое со- против- ление, Ом∙м	Диспер- сный состав час- тиц разме- ром менее 5мкм, %	Угол есте- ствен- ного откоса, град	Плот- ность кг/м3
	Объем продук- та, м3/кг	Темпе- ратура, °С	Темпе- ратура точки росы, °С	Концен- трация пыли, г/м3
Печи длиной до 100м	3,8-6,0	225-385	60-67	10-48	1,0∙108-2∙109	17-36	37-45	2670-2820
Печи с цик- лонными теп- лообмен- ника- ми	2,5-3,3	190-380	29-44	16-60	1,0∙108-1,0∙1011	51-75	45-51	2640-2840
Колосни-ковые холодиль-ники	1,0-2,9	90-290	-	5-40	2,8∙108-1,3∙109	15-17	35-41	3060-3300

 

К категории печей сухого способа производства относятся короткие или длинные полые вращающиеся печи без внутрипечных или запечных теплообменников и короткие полые вращающиеся печи с запечными циклонами или циклонно-шахтными теплообменниками. Наиболее распространенными и экономичными для обжига клинкера являются высокопроизводительные короткие полые вращающиеся печи с запечными теплообменниками.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Обоснование выбора технологической схемы

 

Рассчитаем необходимую суммарную степень очистки промышленных газов [4].

Разработка схемы очистки газов базируется на анализе исходных данных, поскольку в зависимости от тех или иных физико-химических свойств пылегазового потока, особенностей технологического процесса производится непосредственно выбор определенного вида аппарата, четкой последовательности очистки. Прежде всего, необходимо определить от каких загрязняющих веществ нужно будет проводить очистку. Для этого следует сравнить концентрации вредных веществ на выходе из технологического аппарата (С_{исх.вещества}) с их предельно разрешенными концентрациями выброса в атмосферу (ПРК_{вещества}) , и, следовательно, в случае превышения первой над второй необходима будет очистка. В данном варианте требуется провести очистку от ниже следующих веществ и добиться следующей степени их очистки , которая рассчитывается по формуле

 

                                                  

                                                    (1)

 

Концентрация пыли на входе  С_вх=0,06г/м³

Химический  состав пыли:

Компоненты          п.п.п.        SiO₂       Al₂O₃+Fe₂O₃               CaO            MgO

Содержание, %    34,8     17,6                 4,1              40,6               1,4

 

Тогда:

С_SiO2=10,56мг/м³

ПДК_SiO2=2мг/м³, требуется очистка [3].

С_Al2O3+Fe2O3=2,46мг/м³

ПДК_Al2O3=0,01 мг/м³

ПДК_Fe2O3=0,04 мг/м³, требуется очистка.

С_CaO=24,36 мг/м³

ПДК_CsO=3мг/м³, требуется очистка.

 

С_MgO=0,84 мг/м³

ПДК_MgO=10мг/м³, очистка не требуется.

 

С_п.п.п.=20,88 мг/м³

От потерь при прокаливании очистка необходима.

 

Расчет массы  веществ

Чтобы найти количество выбрасываемых  вредных веществ в год до очистки , т/год, воспользуемся формулой:

                          

,                               (2)

где – исходная концентрация вещества до очистки, г/м³;

        – объем газа, м³/ч;

        – время работы технологического агрегата, час/сутки (124 час/сутки);

        – время работы технологического агрегата, дней/год (300 дней/год).

Масса веществ, поступающих на очистку:

 

Отходящие газы коротких полых вращающихся печей с запечными теплообменниками обеспыливают в двухступенчатых пылеулавливающих установках, в которых первой ступенью служат циклоны, а второй — либо электрофильтры, либо рукавные фильтры с рукавами из гидрофобизированной и графитизированной стеклоткани.

Удельное электрическое  сопротивление тонкодисперсной пыли, улавливаемой из газов печей сухого способа производства, выше предельного значения, при котором обеспечивается работа электрофильтра без образования обратной короны. Поэтому их эффективность в названных условиях составляет 75—80%, что вынуждает увлажнять газы после циклонов перед подачей их в электрофильтры. Увлажняют и охлаждают газы различными способами. Применяют специальные полые скрубберы-стабилизаторы. Во избежание отложений в бункере и на стенках скруббера диаметр его с учетом угла раскрытия факела принимают таким (5—7 м), чтобы неиспарившиеся капли влаги не попадали на стенки, а высота (25—35 м) определяется необходимостью полного испарения капель до выхода газов из скруббера. Такие установки для увлажнения и охлаждения печных газов в соответствии с рисунком 1 сооружают как в нашей стране, так и за рубежом[1].

 

1 – печь; 2 – циклоны; 3 – скруббер-стабилизатор; 4 – электрофильтр

  Рисунок 1 – Обеспыливающая установка за печью сухого способа производства цемента

 

Частичное увлажнение и охлаждение газов, отходящих из колосниковых холодильников, можно  осуществлять в  сушильно-дробильных или сушильно-помольных установках в соответствии с рисунком 2, используя тепло газов для подсушки влажных сырьевых материалов.

1 – печь; 2 –  колосниковый холодильник; 3 – угольная мельница; 4 – сырьевая мельница; 5 – электрофильтр

Рисунок 2 – Схема обеспыливания технологической линии сухого способа производства с одним электрофильтром

 

При обеспыливании  газов очень мощных печей для  обжига клинкера газы предварительно увлажняют в кондиционере перед  сырьевой мельницей в соответсвии  с рисунком 3.

 

1 – рукавный  фильтр; 2 – колосниковый холодильник; 3 – вращающаяся печь;

4- декарбонизатор; 5 – циклонные теплообменники; 6 – кондиционер; 7 – дымосос печи; 8 – сырьевая мельница; 9 – электрофильтр;10 – дымовая труба; 11 – вентилятор мельницы

Рисунок 3 – Схема обеспыливания газов мощной вращающейся печи сухого способа производства, колосникового холодильника и сырьевой мельницы

 

По условиям компоновки сырьевых мельниц и печей  этот способ не всегда можно использовать на заводах. Также данное оборудование очень дорогостояще.

Познакомившись с традиционными  схемами обеспыливания, принятыми  в производстве и исходя из конструктивных и экономических соображений и из произведенных расчетов, в данном проекте выбираем технологическую схему двухступенчатой пылеулавливающей установки, в которой первой ступенью служат циклоны, а второй — электрофильтры. Для увлажнения и охлаждения газов выбираем полый скруббер-стабилизатор. Разработанная технологическая схема представлена на листе 1 формата А1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 Технологическая  часть

 

 

3.1 Выбор циклона

 

 

 

Технология  очистки газов в соответствии с выбранной схемой заключается  в прохождении газа двух ступеней очистки, сначала более грубой, затем  очистке от тонкодисперсных примесей.

Первое сооружение в схеме очистки – циклоны.

Циклоны являются наиболее распространенными аппаратами газоочистки, широко применяемыми для отделения пыли от газов и воздуха (в том числе аспирационного) в самых различных отраслях промышленности: в черной и цветной металлургии, химической и нефтяной промышленности, промышленности строительных материалов, энергетике и др.

При небольших  капитальных затратах и эксплуатационных расходах циклоны обеспечивают очистку газов эффективностью 80—95%. В основном их рекомендуется использовать для предварительной очистки газов и устанавливать перед высокоэффективными аппаратами (например, фильтрами или электрофильтрами). В ряде случаев достигаемая эффективность циклонов оказывается достаточной для выброса газов или воздуха в атмосферу.

Основными элементами циклонов являются корпус, выхлопная  труба и бункер. Из бункера пыль поступает на площадку для хранения отходов, затем вывозится с предприятия.

 Газ поступает  в верхнюю часть корпуса через  входной патрубок, приваренный к  корпусу тангенциально. Улавливание пыли происходит под действием центробежной силы, возникающей при движении газа между корпусом и выхлопной трубой. Уловленная пыль ссыпается в бункер, а очищенный газ выбрасывается через выхлопную трубу.

В зависимости  от производительности циклоны можно устанавливать по одному (одиночные циклоны) или объединять в группы из двух, четырех, шести или восьми циклонов (групповые циклоны).

Эффективность очистки газа в циклоне определяется дисперсным составом и плотностью частиц улавливаемой пыли, а также вязкостью газа, зависящей от его температуры. При уменьшении диаметра циклона и повышении до определенного предела скорости газа в циклоне эффективность очистки возрастает.

Эффективность очистки резко снижается при  подсосе атмосферного воздуха внутрь циклона, особенно через бункер, поэтому подсос должен быть сведен к минимуму (не превышать 4—5%).

Тип циклона  выбирают исходя из требуемой эффективности очистки.

Циклоны ЦН-24, отличаются высокой пропускной  способностью  при невысоких требованиях к качеству очистки и для очистки газов от пылей со средним медианным диаметром более 20 мкм экономически рентабельно использование циклонов ЦН-24.

Конструкция циклона  изображена на рисунке 4 [1].

Рисунок 4 –  Конструкция цилиндрического циклона ЦН-24

 

 Применяются  в качестве первой ступени  очистки воздуха в  системах аспирации на предприятиях металлургии, химии, промышленности строительных материалов, в деревообработке.

Соответствие  технической характеристики выбираемого  циклона и данных задания приведено в таблице 2 [1].

 

 

 

 

Таблица 2 –  Техническая характеристика ЦН-24 и данные задания

Техническая характеристика	ЦН-24	Данные задания
Средний медианный  диаметр частиц пыли, мкм	от 20	25
Температура очищаемого газа, 0С	не более 400	130
Максимальное давление, Па	700	635

 

Эффективность очистки от частиц пыли диаметром 25 мкм – 75-90%.

Циклон ЦН-24 часто используют в заданной в  проекте промышленности (промышленность строительных материалов – производство цемента), его технические характеристики соответствуют данным задания, его использование экономически рентабельно, эффективность улавливания частиц достаточно высока. Поэтому в качестве первой ступени очистки выбираем циклон ЦН-24.

 

3.2 Выбор скруббера

 

После циклона перед подачей  газов в электрофильтр газ необходимо увлажнить, так как удельное электрическое сопротивление тонкодисперсной пыли часто оказывается выше предельного значения, при котором обеспечивается работа электрофильтра без образования обратной короны.

Поэтому следующее сооружение в схеме – скруббер. Скрубберы — аппараты мокрого пылеулавливания получили широкое распространение ввиду сравнительно небольшой стоимости изготовления, высокой эффективности пылеулавливания, возможности их использования при высокой температуре и повышенной влажности очищаемых газов, а также в случаях опасности самовозгорания, взрыва газов или улавливаемой пыли.

Преимуществом мокрых аппаратов  является возможность одновременного осуществления очистки газов  от взвешенных частиц (пылеулавливание), извлечения газообразных примесей (абсорбция) и охлаждения очищаемых газов (теплообмен).

Скрубберы предназначены  для очистки газовоздушных выбросов от пыли и газовых примесей, охлаждения газов (осушки и увлажнения), а также  для предварительной очистки  и кондиционирования газов, далее поступающих в пылеулавливающие аппараты других типов.

В качестве орошающей жидкости в аппаратах мокрого пылеулавливания, как правило, применяется вода.

Скрубберы Вентури являются наиболее распространенным типом мокрого пылеуловителя, обеспечивающим эффективную очистку газов от частиц пыли практически любого дисперсного состава.

Скрубберы Вентури применяются  в различных отраслях промышленности: в черной и цветной металлургии, химической и нефтяной промышленности, промышленности строительных материалов, энергетике и др.

Конструктивно скруббер Вентури  представляет собой сочетание орошаемой трубы Вентури и сепаратора. Труба Вентури имеет плавное сужение на входе — конфузор и плавное расширение на выходе — диффузор. Пережим сечения трубы Вентури получил название «горловина». Такая конфигурация трубы Вентури, выполненная с оптимальными с аэродинамической точки зрения соотношениями размеров, положена в основу типоразмерного ряда аппаратов ГВПВ.

Труба Вентури  типа ГВПВ в соответствии с рисунком 5 имеет круглое сечение; относительная длина горловины — 0,15d (где d — диаметр горловины), угол раскрытия конфузора — 28° и угол раскрытия диффузора — 7°. При эксплуатации труба Вентури может быть установлена в любом положении (вертикально, наклонно) [2].

 

 

1 – диффузор; 2 – горловина; 3 – конфузор; 4 –  подвод орошающей жидкости

Рисунок 5 – Трубы Вентури типа ГВПВ

Материал для  изготовления труб Вентури — сталь  марки Ст. З.

Принцип действия скрубберов Вентури основан на улавливании частиц пыли, абсорбции или охлаждении газов каплями орошающей жидкости, диспергируемой самим газовым потоком в трубе Вентури. Орошающая вода в выбранную трубу Вентури подается из технического водопровода.

В зависимости от физико-химических свойств улавливаемых пылей, химического состава и температуры газа выбирают режим работы скруббера Вентури. Обычно скорость газа в горловине трубы — 30—200 м/с, а удельное орошение — 0,1—6,0 л/м³. Эффективность очистки газов зависит от гидравлического сопротивления скруббера Вентури и величины удельного орошения.

Рассчитав режим  работы скруббера Вентури скорость газа в горловине трубы и удельное орошение, можно обеспечить любую требуемую концентрацию пыли в очищенном газе.

Условное обозначение  типоразмера трубы: ГВПВ — Газопромыватель Вентури, прямоточный, высоконапорннй; первое число — сечение горловины трубы Вентурл (м²), второе число — максимальная температура очищаемого газа (°С).

Соответствие  технической характеристики выбираемого скруббера и данных задания представлено в таблице 3 [2].

 

Таблица 3 – Техническая характеристика ГВПВ и данные задания

Техническая характеристика	ГВПВ	Данные задания
Допустимая  запыленность газа, г/м3	30	24,4
Температура очищаемого газа, °С	400	130
Давление, кПа	не более 5	0,635

 

Скрубберы Вентури  имеют сравнительно небольшую стоимость изготовления, обеспечивают эффективную очистку газов от частиц пыли практически любого дисперсного состава, часто применяются в заданной в проекте промышленности (промышленность строительных материалов – цементное производство), техническая характеристика соответствует данным задания, поэтому выбираем для увлажнения газов перед электрофильтром трубу Вентури типа ГВПВ.

В качестве сепаратора капель в скрубберах Вентури наиболее часто применяют центробежные каплеуловители типа КЦТ. Конструктивно он представляет собой малогабаритный прямоточный циклон с прямоугольным входным патрубком и рабочей частью высотой 1,5D (D – диаметр циклона) в соответствии с рисунком 6 [2].

Рисунок 6 –  Каплеуловитель типа КЦТ

 

Уловленная  обводненная пыль в виде шлама выводится через бункер на шламовую площадку, подсушивается и вывозится с территории предприятия.

Круглый выходной патрубок утоплен внутрь корпуса  аппарата на величину 0,1D и смещен в  сторону оси на расстояние 0,1D.

Материал для  изготовления каплеуловителя сталь марки Ст. 3.

Условное обозначение  типоразмера центробежного каплеуловителя:

КЦТ – каплеуловитель центробежный с тангенциальным подводом газа; число – диаметр аппарата.

Таким образом  выбираем в качестве сепаратора каплеуловитель типа КЦТ как наиболее часто применяемый в скрубберах Вентури.

 

3.3 Выбор электрофильтра

 

После циклонов и скруббера газ поступает  в электрофильтр для тонкой очистки.

Электрофильтры  предназначены для высокоэффективной очистки технологических газов и аспирационного воздуха от твердых и туманообразных загрязнений (пылей и туманов), выделяющихся при технологических процессах (сушке, обжиге, агломерации, сжигании топлива и т. д.), в энергетике, черной и цветной металлургии, химической и нефтяной промышленности, промышленности строительных материалов и др.

Электрофильтры  — аппараты с корпусами прямоугольной или цилиндрической формы. Внутри корпусов смонтированы осадительные и коронируюшие электроды различной конструкции (в зависимости от назначения и области применения аппарата и специфики улавливаемого продукта), а также механизмы встряхивания электродов или системы их промывки, изоляторные узлы, газораспределительные устройства и т. п. Коронирующие электроды подключены к высоковольтному источнику питания выпрямленным током напряжением 50—60 кВ. Источник питания — повысительно-выпрямительный агрегат специального типа с системой регулирования, позволяющей поддерживать рабочее напряжение в электрофильтре близким к пробойному.

При пропускании  загрязненного газа через электрофильтр частицы пыли или тумана заряжаются и под действием электрического поля осаждаются на осадительных электродах. После накопления определенного слоя осадка уловленная пыль сбрасывается или смывается в бункер.