КОНТРОЛЬ ЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМ ОЧИСТКИ ОТХОДЯЩИХ ГАЗОВ В ПРОИЗВОДСТВЕ ОГНЕУПОРНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Полный текст

Обоснование. В настоящее время в России создана большая нормативно-правовая база, регулирующая деятельность промышленных предприятий. Для обеспечения безопасности здоровья населения и состояния окружающей среды разработано множество нормативов, базирующихся на контроле различных показателей, в целях ограничения воздействия вредных веществ на природные среды, в том числе на атмосферу. Среди прочих требований согласно п. 7 ст. 16 ФЗ № 96 «Об охране атмосферного воздуха» на предприятиях обязательно наличие газоочистного и пылеулавливающего оборудования, в противном случае их деятельность будет приостановлена или прекращена, кроме того, работа очистных сооружений подлежит обязательному государственному контролю. Основные экологические проблемы при производстве шамотных, муллитовых, муллитокорундовых изделий связаны с отходящими газами, образующимися при работе различного типа оборудования. Большое количество взвешенных частиц образуется в результате работы механизмов ударного действия, используемых для помола материалов (прессов, дробилок и мельниц), машин и установок, действие которых сопряжено с наличием воздушных потоков (пневмотранспорта) и узлов загрузки и выгрузки продукции - транспортеры, конвейеры, элеваторы. Рисунок. Технологическая схема производства алюмосиликатных огнеупоров Figure. Technological scheme of production of aluminosilicate refractories Технология производства алюмосиликатных огнеупоров включает в себя следующие основные операции: приемка, подготовка и хранение сырья → формование полуфабриката → сушка → обжиг → сортировка и упаковка готовых изделий. В качестве сырья при производстве огнеупоров используют огнеупорную глину, шамот, природное минеральное сырье, а также искусственно получаемые материалы. Технологическая схема производства алюмосиликатных огнеупоров представлена на рисунке. В выбросах цеха основные объемы загрязняющих веществ приходятся на диоксид серы, диоксид азота, пыль до 20% SiO2, оксиды азота, оксид углерода. Специфические фиброзно-склеротические заболевания легких развиваются от вдыхания пыли, содержащей двуокись кремния, высокое содержания в пыли свободной окиси SiO2 увеличивает риск возникновения силикоза, а в алюмосиликатном производстве соединения, содержащие двуокись кремния в связанном с другими элементами состоянии, способны вызывать силикатозы [1]. При обжиге в процессе превращения глины в шамот повышается содержание свободной двуокиси кремния в результате разложения каолинита на муллит и кристобалит, поэтому шамотная пыль более опасна. В целях очистки и обезвреживания выбросов используются специальные технологии, процессы и устройства. В рассматриваемом производстве все источники выбросов загрязняющих веществ в атмосферу оснащены пылегазоочистными аппаратами - газоочистным оборудованием различных марок и производителей - от старых СМЦ166Б, ФВ, ФБ, ФРКН, ФРКИ до современных ФРИГ, ФРИП, КФЕ и ФРИ. Уловленная аспирационными системами из мельниц, глинодробилок, вибросит и грохотов пыль возвращается в производство путем сухого прессования на прессвальцах массы приготовленной из пыли с добавлением глиняного шликера. Полученная смесь используется в качестве добавки к сырью при выпуске шамота. Несмотря на установку большого количества фильтров и систем, в основе работы которых лежат различные технологии, сохраняется необходимость мониторинга выбросов для обеспечения надлежащей степени очистки и соответствия санитарно-гигиеническим и экологическим требованиям. Цель. Выдвижение обоснованных предложений по обеспечению бесперебойной и высокоэффективной очистки отходящих газов на основе обобщения и анализа сведений о работе отдельных пылегазоочистных систем. Материалы и методы. Загрязняющие вещества, образующиеся в процессе производства, следующие: азота диоксид, азота оксид, сера диоксид, углерод (сажа), углерод оксид, пыль неорганическая - до 20% SiО2, дижелеза триоксид, марганец и его соединения, хрома (IV) оксид, фториды газообразные, фториды плохорастворимые, фенол, формальдегид, керосин. Удельные выбросы этих загрязнителей варьируют в широких пределах и зависят от типа производимой продукции и стадии производственного процесса. В таблице 1 приведены характеристики выбросов отходящих газов в процессах обжига в туннельной печи различных огнеупорных продуктов. Каждый технологический этап производства алюмосиликатных изделий влечет за собой привнесение новых, нехарактерных веществ и изменение естественных концентраций в воздушном бассейне. Установка газоочистных аппаратов в производстве - наиболее эффективное средство борьбы с выбросами пыли и вредных газообразных компонентов в атмосферу на всех этапах производства. Параметры воздушной смеси контролируются посредством измерений концентрации загрязняющих веществ инструментальными методами в отходящих газах от источников загрязнения в точках, предшествующих поступлению газового потока в установку очистки газа, а также на выходе из нее. Характеристика отходящих газов туннельной печи [2] Таблица 1 Загрязняющее вещество Концентрация, мг/м3 Вид огнеупоров высокоглиноземистые низкоглиноземистые Пыль 5-80 10-25 NOx в пересчете на NO2 30-250 5-100 SOx в пересчете на SO2 10-430 20-150 CO 30-150 10-50 Фториды неорганические газообразные в пересчете на HF 5-50 1-3 Raw gas values in tunnel kiln firing processes of different refractory products Table 1 Emission component Concentration mg/m3 Product High alumina Silica Dust 5-80 10-25 NOx stated as NO2 30-250 5-100 SOx stated as SO2 10-430 20-150 CO 30-150 10-50 Inorganic gaseous fluorine compounds stated as HF 5-50 1-3 Эффективность очистки - важнейшая характеристика аппарата, на нее ориентируются при выборе пылеулавливающего оборудования в соответствии с допустимым остаточным содержанием пыли и принимают решение о модернизации, ремонте или замене систем очистки [3]. При эксплуатации отдельных видов газоочистных систем возможен дисбаланс по газу (при наличии значительных подсосов воздуха), поэтому эффективность очистки определяется по формуле, %: E С V - С V 100, (1) = н н к к СнVн где Сн и Ск - средние концентрации вредных веществ в газах соответственно на входе (начало) в систему и на выходе (конец) из нее, г/м3; Vн и Vк - объемный расход газов, поступающих в систему и выходящих из нее, тыс. м3/час [4]. В ходе проведенного исследования были собраны и проанализированы результаты эффективности 38 аспирационных установок, используемых на различных участках производства. Отдельные единицы промышленного оборудования имеют выход к единой системе очистки, очистка отходящих газов от трубных мельниц проходит в два этапа. Результаты. Для оценки сравнительных характеристик эффективности аспирационных установок различного типа сведения о них были структурированы (табл. 2) по мере ввода в эксплуатацию пылегазоочистных установок, а выводы сделаны на основании фактических показателей эффективности за 2010-2017 гг. Характеристика эффективности очистки Таблица 2 Источник выделения веществ Тип ПГУ Год ввода в эксплуатацию Фактическая степень (эффективность) очистки за 2010-2017 гг., % минимальная максимальная среднее Пресс СМ-1085 № 4, бегуны, мешалки, ленточный конвейер, элеватор Циклон ЦВП-6 1983 83,59 86,04 84,73 Пресс СМ-1085 № 10, мешалка, элеватор, бегуны, конвейер Циклон ЦВП-6 1983 87,18 90,75 88,68 Пресс Lais № 2, № 3, мешалки, бегуны, ленточный конвейер, элеватор Циклон ЦВП-6 1983 88 90,50 89,86 Пресс СМ-1085 № 6, мешалка, элеватор, бегуны Циклон ЦВП-6 1983 76,34 90,54 86,46 Пресс СМ-1085 № 9, мешалка Циклон ЦВП-6 1983 84,61 97,00 88,65 Вальцы, бункер, ленточный транспорт Скруббер НС-15 1984 77,98 99,49 91,65 Весы ДПО-250, смеситель СП 1000, ленточный питатель, растирочное устройство Скруббер НС-15 1985 80,79 84,21 82,50 Элеватор, грохот, бункеры Скруббер НС-9 1986 84,64 90,22 88,04 Трубомельница № 5 1 ступень: циклон ЦН-15, 2 ступень: рукавный фильтр СМЦ-166Б 1995 92 96,00 93,37 Сушильный барабан № 1 Электрофильтр УГ2-3-26 1995 97,71 99,07 98,22 Сушильный барабан № 2 Электрофильтр УГ2-3-26 1995 96,84 98,70 97,84 Бункеры Скруббер НС-15 1995 81,23 97,50 85,88 Пресс СМ-1085 № 12 Скруббер ЦС-7 1995 87,60 95,81 91,84 Дробилка брака готовых изделий Циклон ЦН-15 1995 75,05 82,01 79,98 Мешалки, бегуны, ленточный конвейер, элеватор Скруббер НС-15 1995 38,75 81,27 74,98 Дробилка, пресс Lais № 1 Скруббер ЦС-8 1995 85,80 90,41 88,16 Ручная формовка, дозаторы, двухвальный смеситель. Скруббер НС-9 1995 83,02 90,11 86,13 Весы ДПО, смесители, питатель, бегуны Скруббер НС-15 1995 79,24 85,01 82,51 Окончание табл. 2 Источник выделения веществ Тип ПГУ Год ввода в эксплуатацию Фактическая степень (эффективность) очистки за 2010-2017 гг., % минимальная максимальная среднее Весы ДПО-250, смесители СП 1000, бегуны № 5, щековая дробилка Скруббер НС-15 1995 80,55 84,02 82,53 Бункеры пыли Рукавный фильтр ФРКИ-30 1998 93,00 96,87 95,78 Пресс ДАО-242 Циклон ЦВП-6 1999 84,11 95,83 91,26 Прессы СМ-1085 № 8 Скруббер ЦС-6 2000 86,35 98,30 90,87 Затарка мертеля Рукавный фильтр ФВ-45 2001 84,98 96,65 91,01 Трубомельница № 1 1 ступень: циклон ЦН-15, 2 ступень: фильтр рукавный ФРИГ-108 2001 91,12 99,12 96,44 Весы ДПО-250,ДПО-500, ленточный конвейер, пресс «Лайс» № 1 Скруббер НС-15 2001 80,80 89,80 86,26 Трубомельница № 2 1 ступень: циклон ЦН-15, 2 ступень: рукавный ФБ-48 2002 95,00 99,13 95,88 Шаровая мельница, бункер, элеватор Фильтр рукавный КФЕ 72 2006 77,05 99,38 87,34 Трубомельница № 4 1 ступень: циклон ЦН-15, 2 ступень: фильтр рукавный ФРИ-60 2008 93,00 97,70 95,4 Бункер, элеватор, ленточный транспорт Фильтр рукавный ФРИП-60 2008 85,04 97,19 94,17 Бункер Рукавный фильтр ФРИГ-36 2008 94,00 96,09 95,28 Бункер, смеситель, ленточный конвейер Фильтр рукавный ФРКИ-90 2008 94,30 96,00 95,11 Пневмотранспорт (затарка ШПБ), бункер, питатель Рукавный фильтр ФРИГ-72 2008 95,42 98,20 97,46 Трубомельница № 3 1 ступень: циклон ЦН-15, 2 ступень: фильтр рукавный ФРИ-60 2010 93,03 97,92 95,06 Конвейер, бункеры Фильтр рукавный ФРИ-180 2011 74,11 97,68 87,09 Шаровая мельница № 2, головки элеватора, бункер, ленточный конвейер, питатель Рукавный фильтр ФРИ-90 2012 97,69 99,42 98,35 Шаровая мельница № 4, бункер, головки и башмак элеватора, ленточного конвейера, питателя Фильтр рукавный ФРИ-90 2012 96,22 98,99 97,22 Вальцы, грохоты, бункеры, головки элеватора Рукавный фильтр ФРИ-90 2015 98,09 99,68 98,82 Шаровая мельница № 1, элеватор, бункеры Рукавный фильтр ФРИ-90 2015 94,61 97,63 96,51 Characteristics of cleaning efficiency Table 2 Emission source of substances Dust-collecting equipment Commissioning year Actual power (efficiency) of purification for 2010-2017, % minimum maximum average value Press SM-1085 № 4, grinding-mills, stirrers, belt conveyor, elevator Cyclone TSVP-6 1983 83,59 86,04 84,73 Press SM-1085 № 10, stirrers, elevator, grinding-mills, belt conveyor Cyclone TSVP-6 1983 87,18 90,75 88,68 Press Lais № 2, № 3, stirrers, grinding-mills, belt conveyor, elevator Cyclone TSVP-6 1983 88 90,5 89,86 Press SM-1085 № 6, stirrers, elevator, grinding-mills Cyclone TSVP-6 1983 76,34 90,54 86,46 Press SM-1085 № 9, stirrer Cyclone TSVP-6 1983 84,61 97 88,65 Rollers, storage hopper, belt conveyor Scrubber NS-15 1984 77,98 99,49 91,65 Weighing-machine DPO-250, mixer SP 1000, conveyor feeder, triturator Scrubber NS-15 1985 80,79 84,21 82,5 Elevator, sieving machine, storage hoppers Scrubber NS-9 1986 84,64 90,22 88,04 Tube mill № 5 1st phase: Cyclone CN-15, 2nd phase: bag filter SMTC-166 B 1995 92 96 93,37 Drier drum № 1 Electrofilter UG 2-3-26 1995 97,71 99,07 98,22 Drier drum № 2 Electrofilter UG 2-3-26 1995 96,84 98,7 97,84 Storage hoppers Scrubber NS-15 1995 81,23 97,5 85,88 Press SM-1085 № 12 Scrubber TSC-7 1995 87,6 95,81 91,84 Crushing machine for defective products Cyclone TSN-15 1995 75,05 82,01 79,98 Stirrers, grinding-mills, belt conveyor, elevator Scrubber NS-15 1995 38,75 81,27 74,98 Crushing machine, press Lais №1 Scrubber TSC-8 1995 85,8 90,41 88,16 Hand-operated molding machine, batchers, doubleshaft mixer Scrubber NS-9 1995 83,02 90,11 86,13 Weighing-machine DPO, mixer, feeder, grinding-mills Scrubber NS-15 1995 79,24 85,01 82,51 Weighing-machine DPO-250, mixer SP 1000, grinding-mills № 5, jaw crusher Scrubber NS-16 1995 80,55 84,02 82,53 Dust bunker Bag filter FRKI-30 1998 93 96,87 95,78 Weighing-machine DAO-242 Cyclone TSVP-6 1999 84,11 95,83 91,26 Press SM-1085 № 8 Scrubber TSC-6 2000 86,35 98,3 90,87 Filling of heat-setting mortar Bag filter FV-45 2001 84,98 96,65 91,01 Tube mill №1 1st phase: Cyclone CN-15, 2nd phase: bag filter FRIG-108 2001 91,12 99,12 96,44 End of table 2 Emission source of substances Dust-collecting equipment Commissioning year Actual power (efficiency) of purification for 2010-2017, % minimum maximum average value Weighing-machine DPO-250, DPO-500, belt conveyor, press Lais № 1 Scrubber NS-15 2001 80,8 89,8 86,26 Tube mill № 2 1st phase: Cyclone CN-15, 2nd phase: bag filter FB-48 2002 95 99,13 95,88 Ball mill, storage hopper, elevator Bag filter KFE-72 2006 77,05 99,38 87,34 Tube mill № 4 1st phase: Cyclone CN-15, 2nd phase: bag filter FRI-60 2008 93 97,7 95,4 Storage hopper, elevator, belt conveyor Bag filter FRIP-60 2008 85,04 97,19 94,17 Storage hopper Bag filter FRIG-36 2008 94 96,09 95,28 Storage hopper, mixer, belt conveyor Bag filter FRKI-90 2008 94,3 96 95,11 Pneumatic transport, storage hoppers, feeder Bag filter FRIG-72 2008 95,42 98,2 97,46 Tube mill № 3 1st phase: Cyclone CN-15, 2nd phase: bag filter FRI-60 2010 93,03 97,92 95,06 Conveyor, storage hoppers Bag filter FRI-180 2011 74,11 97,68 87,09 Ball mill № 2, elevator head, storage hopper, belt conveyor, feeder Bag filter FRI-90 2012 97,69 99,42 98,35 Ball mill № 4, storage hopper, heads and boot of elevator, belt conveyor, feeder Bag filter FRI-90 2012 96,22 98,99 97,22 Rollers, sieving machines, storage hoppers, elevator heads Bag filter FRI-90 2015 98,09 99,68 98,82 Ball mill № 1, elevator, storage hoppers Bag filter FRI-90 2015 94,61 97,63 96,51 Обсуждение и рекомендации. Исходя из произведенных расчетов, можно сделать вывод, что эффективность очистки большинства применяемых систем варьируется в большом диапазоне. При этом она не зависит от года ввода в эксплуатацию и типа аспирационной системы, а также применяемого в производстве оборудования или очищаемого производственного участка. Согласно ГОСТу 33007-2014 «Оборудование газоочистное и пылеулавливающее. Методы определения запыленности газопылевых потоков» пылеуловитель должен обеспечивать улавливание пыли с эффективностью не менее 95%. По изученным данным за 2010-2017 годы 63% всех установленных систем аспирации характеризуются низкой степенью эффективности (< 95%), однако, важно отметить, что такой вывод был сделан по среднему значению степени очистки в анализируемый период, т.е. в отдельные годы эффективность могла быть на требуемом уровне и даже выше, тогда как в другие - значительно ниже нормы. Отсюда следует, что необходимо более детально отслеживать показатели очищаемого газа на входе в системы и на выходе из них, дабы обеспечить требуемую эффективность и повысить контроль над безопасностью работы. Постоянный мониторинг системы очистки обеспечит бесперебойное и эффективное функционирование аспирационных установок, а также своевременное устранение сбоев работы. В настоящее время разработано и успешно применяется большое количество датчиков мониторинга и измерения концентрации пыли. Такие датчики отличаются спецификой измеряемых параметров и в большинстве случаев характеризуются компактными габаритами, удобством монтажа и технического обслуживания, одновременно обеспечивая при этом широкий диапазон измерений и небольшое потребление энергии. Датчик уровня пыли поможет своевременно предупредить о выходе из строя фильтра очистки воздуха, обнаружить повреждения фильтра и выявить потребность в ремонте или замене. Такие меры предотвратят выброс в атмосферу больших концентраций пыли, обеспечив требования экологической безопасности. Поскольку выбросы в рассматриваемом технологическом процессе не взрывоопасны, то в качестве возможных решений могут быть предложены датчики пыли типа ProSens и Dusty, которые зарекомендовали себя как высокоэффективные способы контроля и мониторинга в производствах различного типа. В основе их работы лежит трибоэлектрический метод, суть которого состоит в том, что при взаимодействии частицы пыли со стержнем датчика происходит перенос небольшого электрического заряда. Этот заряд побуждает сигнал, который затем обрабатывается электроникой. Датчик ProSens, разработанный компанией SWR engineering Messtechnik GmbH (Германия, Шлинген), активно используется как в зарубежных производствах, так и на территории России. ProSens различных модификаций устанавливается в «чистых» зонах установок и предназначен для обнаружения повреждений фильтра, мониторинга его запыленности и измерения концентраций пыли в отходящих газах. Предполагая, что материал остается неизменным, генерируемый сигнал пропорционален расходу даже в том случае, если имеет место налипание пыли на стержень датчика. В качестве альтернативного варианта предлагается использовать более простую и дешевую модификацию датчика ProSens с ограниченным набором функций - датчик пыли Dusty. Такой датчик используется в качестве сигнализатора исправности фильтров - он не измеряет уровень запыленности, а детектирует только предельные уровни, имеющие соответствующие дискретные выходные сигналы, и сигнализирует о 5и 20-ти кратном превышении запрограммированной концентрации пыли. Особое внимание стоит уделять подбору пылегазоочистного оборудования, поскольку для каждого производственного процесса требуется своя газоочистная установка, конструкция которой определяется его характером, видом загрязнений и количеством образующихся выбросов. Верный подход на этапе проектирования обеспечит наибольшую эффективность очистки и предотвратит преждевременные неполадки в работе аппарата. В числе 10 первоочередных разработанных информационно-технических справочников по наилучшим доступным технологиям в 2015 г. был опубликован ИТС 4-2015 «Производство керамических изделий». Этот справочник содержит (в числе прочего) описание применяемых при производстве огнеупоров технологических процессов, оборудования, технических способов, методов, в том числе позволяющих снизить негативное воздействие на окружающую среду, повысить энергетическую и экологическую эффективность, обеспечить ресурсосбережение на предприятиях. В дальнейшем был утвержден стандарт ГОСТ Р 56828.21-2017, который отразил положения, установленные в Европейском справочнике по наилучшим доступным технологиям в производстве керамических изделий (август 2007) и ИТС 4-2015. Основные принципы выбора пылегазоочистных аппаратов, описание универсальных подходов и методов, применяемых в нашей стране для очистки выбросов, представлены в ИТС 22-2016 [6]. Высокая эффективность очистки может быть достигнута путем создания двухступенчатой системы: как правило, первая ступень - очистка от крупнодисперсных частиц, вторая - очистка от мелкодисперсных. Заключение. Независимо от вида газоочистного оборудования следует проводить оценку соответствия проектных показателей фактическим, поскольку это поможет выявлять и устранять факторы, влияющие на эффективность работы газоочистного оборудования, однако, на практике периодический контроль не всегда оказывается действенным методом. Установка дополнительных измерителей пыли - высокоэффективный способ постоянного контроля, который помогает обеспечить своевременное устранение сбоев работы систем аспирации, тем самым предотвращая вредные выбросы в окружающую среду. Предложенные варианты автоматического контроля пылегазоочистных установок будут экономически выгодным методом управления. Автоматизированная система способна контролировать уровень загрузки пылевого накопителя, тем самым защищая установку от перезаполнения и обеспечивая автоматическую очистку чистящих элементов, которые загрязняются в процессе работы. Выполнение рекомендаций по выбору наилучших доступных технологий для рассматриваемой отрасли производства, грамотный технический подбор оборудования с учетом специфики производственных процессов и характеристики используемых материалов на стадии проектирования предотвратят неисправности и поломки очистных аппаратов. Решение о выборе того или иного пылегазоочистного оборудования, установка дополнительных приборов мониторинга должны быть ориентированы на осуществление надлежащего контроля работы систем очистки и выполнение определенной задачи мониторинга для обеспечения санитарно-гигиенического, экологического и экономического благополучия.

Об авторах

Юлия Александровна Каганова

Российский университет дружбы народов

Автор, ответственный за переписку.
Email: Yuliakaganova@gmail.com

магистр кафедры прикладной экологии экологического факультета Российского университета дружбы народов

Российская Федерация, 115093, Москва, Подольское шоссе, 8/5

Список литературы