Содержание к диссертации
Введение
1 Лазерные методы измерения параметров аэрозольных потоков 12
1.1 Параметры аэрозольных потоков в цементном производстве 12
1.2 Анализ существующих методов и систем контроля аэрозольных потоков 17
1.3 Лазерные системы для дистанционного измерения параметров аэрозольных частиц 21
1.4 Выводы к главе 1 29
2 Компьютерное моделирование параметров аэрозольных потоков 31
2.1 Функция распределения частиц по размерам и средний объемно-поверхностный диаметр частиц 31
2.2 Анализ динамики трансформации ФРЧ в потоке 38
2.3 Изменение среднего объемно-поверхностного диаметра и массовой концентрации при различных режимах работы системы пылегазоочистки 42
2.4 Выводы к главе 2 53
3 Экспериментальные исследования параметров аэрозольных потоков в системе пылегазоочистки методами лазерного зондирования 55
3.1 Разработка и изготовление экспериментального стенда для исследования параметров аэрозольных потоков 55
3.2 Устройство лазерной системы для измерения параметров аэрозольных потоков 67
3.3 Экспериментальное исследование зависимости сигналов ослабления от массовой концентрации и среднего объемно поверхностного диаметра частиц 74
3.4 Оценка погрешностей измерений 84
3.5 Выводы к главе 3 88
4 Лазерная система контроля аэрозольных выбросов в атмосферу 90
4.1 Анализ алгоритмов работы существующих лазерных систем контроля в случае возникновения отказа в системе очистки 90
4.2 Анализ существующих критериев возникновения сверхнормативных аэрозольных выбросов 96
4.3 Устройство и принцип действия лазерной системы контроля аэрозольных выбросов 107
4.4 Применение лазерной системы для раннего обнаружения сверхнормативных выбросов 117
4.5 Применение лазерной системы для оценки рассеивания взвешенных частиц в атмосфере 119
4.6 Выводы к главе 4 129
Заключение 130
Список использованных источников
- Лазерные системы для дистанционного измерения параметров аэрозольных частиц
- Анализ динамики трансформации ФРЧ в потоке
- Экспериментальное исследование зависимости сигналов ослабления от массовой концентрации и среднего объемно поверхностного диаметра частиц
- Применение лазерной системы для раннего обнаружения сверхнормативных выбросов
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Значительный вклад в загрязнение атмосферного воздуха вносят аэрозольные выбросы, выделяющиеся в процессе промышленного производства. Среди отраслей промышленности значительный вклад в загрязнение атмосферы аэрозольными выбросами вносит цементная промышленность.
Аэрозольные выбросы при производстве цемента влекут такие негативные последствия как загрязнение окружающей среды и нанесение вреда здоровью человека, а также потери производимого цемента в виде мелкодисперсных частиц пыли. Актуальность описанных проблем возрастает в связи с концентрацией значительных объемов цементного производства на юге России, в особенности в городе Новороссийске.
Загрязнение окружающей среды и потери производимого цемента значительно возрастают при возникновении сверхнормативных аэрозольных выбросов. Сверхнормативные аэрозольные выбросы – это выбросы аэрозольных частиц в атмосферу, происходящие в результате отказа системы пылегазоочистки. Сверхнормативные аэрозольные выбросы, как правило, происходят при отказе последней ступени очистки, поэтому под отказом системы пылегазоочистки будем понимать отказ последней ступени.
Важной задачей при производстве цемента является контроль параметров
аэрозольных выбросов. Основным параметром аэрозольных выбросов,
контролируемым в реальном производстве является массовая концентрация.
Контроль массовой концентрации позволяет оценивать состояние
пылегазоочистного оборудования, уровень загрязнения воздуха. Массовая концентрация является параметром, по которому осуществляется нормирование загрязняющих веществ в атмосферном воздухе. Измерение массовой концентрации позволяет рассчитывать массу загрязняющих веществ, выбрасываемых в атмосферный воздух (т/год), значения которой положены в основу расчета платы за негативное воздействие на окружающую среду.
При этом контроль распределения частиц по размерам или дисперсного состава частиц позволяет получать более полную информацию о состоянии пылегазоочистного оборудования и характере аэрозольных выбросов. Контроль дисперсного состава частиц позволяет определять на какой именно ступени пылегазоочистного оборудования произошл отказ при возникновении сверхнормативных выбросов. Дисперсный состав частиц определяет характер рассеивания аэрозольных частиц в атмосфере, степень их негативного воздействия на здоровье человека и животных. Также дисперсный состав аэрозольных выбросов влияет на размер платы за негативное воздействие на окружающую среду для взвешенных частиц. Контроль дисперсного состава частиц на выходе последней ступени очистки позволяет обнаруживать и предотвращать потери мелкодисперсных аэрозольных частиц, которые после улавливания возвращаются в технологический процесс производства цемента и в значительной степени определяют его качественные свойства.
Контроль указанных параметров аэрозольных потоков позволяет
осуществлять обнаружение сверхнормативных аэрозольных выбросов.
Обнаружение сверхнормативных аэрозольных выбросов в реальном времени позволяет минимизировать связанные с их поступлением в атмосферу загрязнение окружающей среды и потери производимого цемента, что является актуальной научно-технической задачей.
Степень разработанности темы исследования. Обнаружение
сверхнормативных аэрозольных выбросов в реальном времени позволяют осуществлять лазерные системы на основе методов решения обратной задачи лазерного зондирования, таких как метод дифференциального ослабления, метод малых углов рассеяния, метод полной индикатрисы или интегрального светорассеяния, лидарный метод или лидары. Принцип действия лазерных систем основан на зондировании аэрозольных потоков в реальном времени лазерным излучением. Работа лазерных систем на основе метода дифференциального ослабления основана на измерении коэффициента пропускания. Работа лазерных систем на основе метода малых углов рассеяния основана на измерении рассеяния под определенными малыми углами. Работа лазерных систем на основе метода интегрального светорассеяния основана на измерении индикатрисы рассеяния в диапазоне углов от 0 до 180. Лазерные системы на основе лидарного метода или лидары работают на основе измерения рассеянного частицами излучения в обратном направлении.
На данный момент решены проблемы контроля параметров аэрозольных
выбросов в реальном времени, однако проблема обнаружения
сверхнормативных аэрозольных выбросов в реальном времени решается только в данной диссертационной работе.
Цель работы. Разработка лазерной системы контроля аэрозольных выбросов, позволяющей обнаруживать сверхнормативные аэрозольные выбросы в реальном времени и устанавливать причину их возникновения на ранних этапах их формирования.
Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:
- сравнительная оценка существующих методов и систем контроля
аэрозольных потоков;
математическое моделирование трансформации функции распределения частиц в потоке и изменения среднего объемно-поверхностного диаметра и массовой концентрации аэрозольных частиц при различных режимах работы пылегазоочистного оборудования;
разработка экспериментального стенда на основе лазерной системы для измерения параметров аэрозольных потоков;
- выполнение экспериментальных исследований по измерению сигнала
ослабления лазерного излучения на разработанном экспериментальном стенде
на трех длинах волн и последующий расчет по измеренным параметрам
массовой концентрации и среднего объемно-поверхностного диаметра частиц
исследуемого цементного аэрозоля;
- выбор оптимального критерия возникновения сверхнормативного
аэрозольного выброса для разрабатываемой лазерной системы контроля
аэрозольных выбросов;
разработка принципиальной схемы и алгоритма действия лазерной системы контроля аэрозольных выбросов;
математическая оценка эффективности использования разработанной лазерной системы для обнаружения сверхнормативных аэрозольных выбросов и для оценки рассеивания взвешенных частиц в атмосфере.
Объект исследования. Аэрозольные потоки взвешенных частиц цементного производства.
Предмет исследования. Методы и системы исследования параметров аэрозольных потоков.
Научная новизна. В диссертации получены следующие результаты, отличающиеся научной новизной:
- критерий возникновения сверхнормативных аэрозольных выбросов,
отличающийся использованием в качестве информативных параметров
массовой концентрации и среднего объемно-поверхностного диаметра частиц,
что позволяет обнаруживать сверхнормативные аэрозольные выбросы на
наиболее ранних этапах их формирования в сравнении с другими
существующими критериями возникновения таких выбросов (возрастание
массовой концентрации, изменение перепада давления);
- способ обнаружения сверхнормативных аэрозольных выбросов,
отличающийся одновременным контролем массовой концентрации и среднего
объемно-поверхностного диаметра аэрозольных частиц в реальном времени:
- алгоритм обработки аналоговых и цифровых сигналов,
пропорциональных интенсивности сигналов ослабленного и опорного
лазерного излучения на трех длинах волн, отличающийся одновременным
расчетом значений массовой концентрации и среднего объемно-
поверхностного диаметра частиц с последующим сравнением рассчитанных
значений с пороговыми значениями, сигнализирующими о возникновении
сверхнормативного выброса, что позволяет обнаруживать сверхнормативные
аэрозольные выбросы в реальном времени и контролировать параметры таких
выбросов от момента их возникновения до предотвращения.
Теоретическая и практическая значимость работы состоит в том, что
разработан и изготовлен экспериментальный стенд на основе лазерной системы
для исследования параметров аэрозольных потоков. Разработана
принципиальная схема лазерной системы контроля аэрозольных выбросов. Разработан алгоритм работы лазерной системы контроля аэрозольных выбросов, позволяющий обнаруживать сверхнормативные выбросы в реальном времени с целью предотвращения их поступления в атмосферный воздух. Результаты работы могут быть использованы при создании лазерных систем, предназначенных для обнаружения сверхнормативных аэрозольных выбросов в реальном времени, и контроля параметров таких выбросов, с возможностью предотвращения их поступления в атмосферу.
Результаты работы реализованы в проекте № 2284 Базовой части Госзадания Министерства образования и науки РФ «Разработка научных основ и методов лазерного мониторинга загрязнения окружающей среды».
Результаты диссертационной работы использовались в Новороссийском политехническом институте (филиале) КубГТУ в учебном процессе по программе ДПО «Техносферная безопасность» (г. Новороссийск).
Методология и методы исследования. Для решения поставленных задач
использовались методы: анализ научных и технических результатов ранее
выполненных работ, теоретические и экспериментальные исследования,
создание экспериментального стенда, математическая обработка
экспериментальных данных методами математической статистики и анализа. При обработке сигналов лазерного излучения в реальном времени в качестве инструментария использовалась программа ADClab.
Положения, выносимые назащиту.1.Измерение сигнала ослабления на
трех длинах волн лазерного излучения в реальном времени – меньшая длина
волны определяется минимальным размером частиц, большая длина волны
максимальным размером и третья – между ними - позволяет рассчитывать
средний объемно-поверхностный диаметр аэрозольных частиц полидисперсных
аэрозольных потоков на выходе рукавного фильтра, используя теорию Ми.
2.Изменение среднего объемно-поверхностного диаметра позволяет
обнаруживать сверхнормативные аэрозольные выбросы при наименьшей кратности отказа (k = 2) в сравнении с остальными существующими критериями возникновения таких выбросов. 3.Разработанные устройство и алгоритм действия лазерной системы контроля аэрозольных выбросов позволяют обнаруживать сверхнормативные аэрозольные выбросы в реальном времени.
Степень достоверности и апробация результатов работы.
Результаты исследования показали их воспроизводимость в различных условиях, непротиворечивость концепциям лазерного анализа, а также аналогичным результатам, полученным другими исследователями. Метод и алгоритмы обработки лазерных сигналов построены на теории Ми и согласуются с ранее опубликованными экспериментальными данными по теме диссертации.
Основные теоретические положения и научные результаты
диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили
положительную оценку на 10 Международных, Всероссийских и региональных конференциях: Международной конференции «Лазерно-информационные технологии в медицине, биологии и геоэкологии». (Новороссийск, п. Абрау-Дюрсо, ГМУ им. Ф.Ф. Ушакова, 2013, 2014, 2015 и 2016 г.); Конкурс молодежных научных и инновационных проектов «InnoTech» (Краснодар, КубГТУ, 2013, 2014 и 2015 г.); Вторая международная летняя школа молодых ученых «Новые информационные технологии в исследовании сложных структур» (Анапа, 2015 г.); Итоговая региональная научно-практическая
конференция «Молоджные научно-инновационные проекты Краснодарского края» (Краснодар, 2013, 2014 г.).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, включающего 102 источника. Объем основного текста диссертационной работы составляет 143 страницы машинописного текста, содержит 39 рисунков и 4 таблицы.
Публикации: По материалам диссертации опубликовано 13 научных работ, в том числе 4 статьи в рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России, и 1 патент на полезную модель.
Лазерные системы для дистанционного измерения параметров аэрозольных частиц
Аэрозоли в производстве представляют собой пыль – совокупность взвешенных в газовой среде частиц твердого вещества [18].
Производство цемента сопровождается выделением значительного количества взвешенных частиц. Увлекаемые потоком в газоходах и пылеуловителях, взвешенные частицы образуют аэрозольные потоки или пылегазовые выбросы. Источниками пылегазовых выбросов при производстве цемента являются такие технологические процессы как сушка, дробление и измельчение сырья, обжиг и последующее охлаждение клинкера, помол цемента, хранение полученного цемента в силосах, транспортировка исходного сырья, клинкера и готового цемента между различными цехами и отделами цементного завода [19]. При этом основными источниками пылевыделения являются сушильные барабаны, клинкерооб-жигательные печи, цементные и сырьевые мельницы [20].
Аэрозольные потоки цементного производства характеризуются рядом параметров, основными из которых являются: дисперсный состав взвешенных частиц, содержание взвешенных частиц, температура газов, плотность и вязкость газов, скорость и расход газов, влажность газов [21-27]. Указанные параметры определяют схемы, конструкции и режимы эксплуатации пылеуловителей, а также силосов, бункеров, транспортных и разгружающих устройств [20, 21, 28]. Отсюда следует значимость параметров аэрозольных потоков для организации эффективного пылеулавливания, а также транспортировки и хранения уловленных частиц.
С целью снижения негативного воздействия пылегазовых выбросов на здоровье человека и окружающую среду и сокращения потерь перерабатываемого сырья на цементных предприятиях в обязательном порядке производится обеспыливание аэрозольных потоков посредством пылеулавливающих установок или пылегазоочистного оборудования (ПГО) [28]. Как правило, пылегазовые выбросы цементного производства проходят двухступенчатую очистку. Первая ступень очистки предназначена для улавливания грубодисперсных фракций взвешенных частиц и представлена циклонами и пылевыми камерами. В качестве аппаратов второй ступени очистки чаще всего используют рукавные фильтры и электрофильтры [29]. После прохождения обеспыливания основные параметры аэрозольных потоков (дисперсный состав взвешенных частиц, концентрация взвешенных частиц и т. д.) значительно меняются.
Параметры аэрозольных потоков в значительной степени определяются источником пылевыделения. Рассмотрим подробнее основные параметры аэрозольных потоков, выделяющихся в процессе осуществления различных технологических процессов при производстве цемента.
Дисперсный состав взвешенных частиц характеризует размер частиц, из которых состоит дисперсная фаза аэрозольных потоков и какую массу или количество составляют частицы определенного размера [18, 30]. Дисперсный состав взвешенных частиц в значительной степени влияет на эффективность пылеулавливания, рассеяние в атмосфере и воздействие на окружающую среду пылегазо-вых выбросов [31]. Поэтому контроль дисперсного состава взвешенных частиц аэрозольных потоков позволяет выбирать наиболее подходящие для конкретного технологического процесса режимы работы пылеулавливающих установок, оценивать исправность пылегазоочистного оборудования и эффективность его работы, определять распространение пылегазовых выбросов в атмосфере и степень их негативного воздействия на окружающую среду и здоровье человека. Согласно [2] установлены нормативы платы для частиц диаметром менее 10 мкм (РМ10) и менее 2,5 мкм (РМ2,5). Ставка платы для частиц диаметром менее 2,5 мкм (РМ2,5) установлена почти в два раза больше ставки платы для частиц диаметром менее 10 мкм (РМ10). Взвешенные частицы аэрозольных потоков, как правило, приближнно представляют сферическими по форме. Распределение диаметров частиц цементного аэрозоля лежит в интервале от 1 до 100 мкм [32]. Согласно с другими литературными источниками [21] размер частиц цементного аэрозоля колеблется в диапазоне от 1 до 200 мкм. Наиболее полной характеристикой дисперсного состава взвешенных частиц полидисперсного аэрозоля является функция распределения частиц по размерам, а наиболее информативным числовым параметром - средний или медианный диаметр, определяемый как сумма диаметров частиц делнная на количество частиц [33]. Взвешенные частицы от основных источников пылевыделения цементного производства имеют следующий дисперсный состав. Взвешенные частицы, выносимые из вращающихся печей, имеют высокое содержание тонких фракций размером до 20 мкм. Содержание таких фракций по весу при сухом производстве составляет до 85%, при мокром способе производства от 40 до 70% [20]. Медианный диаметр частиц выносимых из вращающихся печей на входе второй ступени при обжиге по сухому способу производства составляет 4,9 мкм, при обжиге по мокрому способу 2,8 мкм [19]. Согласно [34] медианный диаметр частиц, образующихся при обжиге, составляет 10 мкм. Взвешенные частицы, выделяющиеся при помоле цемента, имеют тонкодисперсный состав. Медианный диаметр частиц в пылегазовых выбросах цементных мельниц на входе второй ступени очистки составляет 4,5 мкм [19]. Исходя из [34] медианный диаметр частиц на выходе цементных мельниц составляет от 10,5 до 12,5 мкм.
При контроле концентрации аэрозолей в технике пылеулавливания значение имеет массовая концентрация пыли, т.е. масса частиц на 1 м3 газа [21]. Наибольшим содержанием взвешенных частиц в пылегазовых выбросах характеризуются цементные и сырьевые мельницы. Массовая концентрация взвешенных частиц выносимых газами цементных мельниц может составлять до 960 г/м3, а концентрация частиц сырьевых мельниц до 500 г/м3 [19]. Также высокой концентрацией взвешенных частиц отличаются аэрозольные потоки, выносимые из вращающихся печей. Концентрация частиц в этом случае, как и дисперсный состав, зависит от способа производства цемента и от конструктивных особенностей печи. Значения е варьируются в интервале от 10 до 99 г/м3 [19]. Содержание взвешенных частиц в пылегазовых выбросах сушильных барабанов близко по значениям тому же показателю вращающихся печей и составляет от 15 до 80 г/м3 [19], по другим источникам 10 до 80 г/м3 [20].
Анализ динамики трансформации ФРЧ в потоке
Средний объемно-поверхностный диаметр взвешенных частиц в выбросах цементных предприятий имеет непостоянное в течение времени значение, изменяющееся в зависимости от режимов работы пылеулавливающего оборудования или дисперсного состава исходного сырья. Изменение d32 взвешенных частиц наблюдается при варьировании дисперсного состава цементного аэрозоля, поступающего на очистку, а также при изменении дисперсного состава выходного аэрозоля, происходящего в результате колебаний скорости воздушного потока на первой ступени очистки или регенерации последней ступени очистки.
Для оценки изменений среднего объемно-поверхностного диаметра частиц d32 в выбросах цементных предприятий были проанализированы более сотни проб цемента, отобранные на входе первой ступени очистки. Для отобранных проб были измерены функции распределения частиц по размерам с помощью лазерного анализатора MASTERSIZER 2000.
Для оценки изменений среднего объемно-поверхностного диаметра частиц d32 при колебаниях скорости воздушного потока на первой ступени очистки, а также в процессе регенерации последней ступени очистки были рассчитаны степени очистки первой ступени очистки при скоростях на 15% больше (wопт.+15%) и меньше (wопт –15%) оптимальной скорости очистки газов и степени очистки по 43 следней ступени очистки до и после регенерации. В качестве первой ступени очистки учитывался циклон, в качестве последней ступени очистки рукавный фильтр.
Степени очистки рукавного фильтра до и после регенерации определялись, исходя из кривых зависимости степени очистки от диаметра частиц построенных в [56]. Кривые зависимости оцифровывались, в результате чего получался массив значений диаметров и соответствующих им степеней очистки. По полученным массивам значений строились кривые в системе координат, на оси абсцисс которой откладывались диаметры, на оси ординат значения степеней очистки в программе Microsoft Office Excel 2007. Для построенных кривых строилась линия тренда, описываемая полиномиальной кривой шестой степени. Описывающая кривую функция является формулой степени очистки: - до регенерации: = 0,0446d6 - 0,5599d5 + 2,7438d4 - 6,5716d3 + 7,6666d2 - 2,6564d + 1,428 (2.6) - после регенерации: = 1,567d6 - 9,0194d5 + 20,054d4 - 20,888d3 + 10,973d2 - 1,6814d + 1,7863 (2.7)
Степени очистки первой ступени очистки при скоростях на 15% больше (wопт.+15%) и меньше (wопт.-15%) оптимальной скорости очистки газов были определены путем последовательной оцифровки кривых зависимости степени очистки первой ступени очистки от диаметра при скоростях на 15% больше (wопт.+15%) и меньше (wопт.-15%) оптимальной скорости очистки газов, построенных в [56]. По полученным массивам значений диаметров и соответствующих им степеней очистки построены логарифмические линии тренда. По полученным линиям тренда определены описывающие их функции. Логарифмическая функция, описывающая линию тренда является степенью очистки первой ступени очистки при скоростях: - на 15 % больше оптимальной: = 1,686 ln(d) 2,1211; (2.8) - на 15 % меньше оптимальной: = 1,683 ln(d) - 2,393 (2.9) Учет рассчитанных степеней очистки позволил по полученным при оцифровке функциям распределения частиц рассчитать те же функции при скоростях на 15% больше и меньше оптимальной скорости очистки газов и на выходе рукавного фильтра до и после регенерации. Исходя из того, что массовая концентрация взвешенных частиц на выходе /– той ступени очистки определяется по формуле: Свых, = свхг (1-і), (2.10) где свых - массовая концентрация на выходе /–той ступени очистки; свхг массовая концентрация на входе /–той ступени очистки; i - степень очистки /–той ступени очистки.
Расчет массовых функций распределения, характеризующих какую массу составляют частицы определенного размера, проводился по формуле: /вых =/вхY1-, (2.11) где выхг - функция распределения на выходе /–той ступени очистки; fвхi - функция распределения на входе /–той ступени очистки.
По рассчитанным функциям распределения были вычислены средние объемно-поверхностные диаметры частиц d32. Расчет d32 осуществлялся посредством компьютерного моделирования с использованием базы данных [82]. Написанный алгоритм позволяет последовательно вычислять нормированные функции распределения, интегральные функции распределения, счетные функции распределения, нормированные счетные функции распределения по исходным массовым функциям распределения, полученным эмпирическим путем и рассчитывать в итоге по вычисленным функциям средние объемно-поверхностные диаметры частиц d32. Были рассчитаны d32 для нескольких функций распределения на выходе рукавного фильтра при скоростях на 15% больше и меньше оптимальной скорости очистки газов в циклоне. Разница полученных d32 не превышает 0,001 мкм.
Для всех отобранных проб цемента рассчитаны d32 на выходе рукавного фильтра до и после регенерации. Для рассчитанного набора чисел определены минимальное и максимальное значения d32 до регенерации, которые соответственно равны d32 до рег min = 0,358 мкм и d32 до рег. max = 0,420 мкм и после регенерации d32 после рег. min = 0,397 мкм и d32 после рег. max = 0,455 мкм. Таким образом, разница максимального и минимального измеренных значений d32 на выходе рукавного фильтра до регенерации составляет 0,062 мкм, после регенерации 0,058 мкм.
Вычислены разницы d32 на выходе рукавного фильтра до и после регенерации рукавного фильтра для каждой из 119 проб цемента. Максимальная из вычисленных разниц d32 составляет 0,0513 мкм, минимальная из вычисленных разниц d32 составляет 0,0314 мкм.
Экспериментальное исследование зависимости сигналов ослабления от массовой концентрации и среднего объемно поверхностного диаметра частиц
Экспериментальное исследование зависимости сигналов ослабления от массовой концентрации и среднего объемно-поверхностного диаметра частиц на разработанном экспериментальном стенде осуществляется посредством лазерного зондирования аэрозольных потоков в реальном времени с одновременной записью сигналов ослабления и последующей обработкой записанных сигналов.
Подготовительным этапом перед проведением экспериментальных исследований на разработанном стенде является подготовка пробы цемента, на которой будут проводиться измерения сигналов ослабления. Наполнению питателя цементным порошком предшествует просеивание цемента через сито с размером ячейки 80 мкм. Просеянный цементный порошок засыпается в шприц питателя. Объем засыпаемой пробы цемента составляет 0,6 мл. После наполнения пробой цемента конец шприца питателя помещается в отверстие трубки Вентури газохода стенда.
Измерение сигнала проводится в течении 9 минут. Рассмотрим алгоритм проведения измерения.
В интервале времени от 0 до 60 секунд осуществляется «холостое» измерение. На данном этапе нагнетатель воздуха и питатель цементного порошка отключены, аэрозольный поток отсутствует. В интервале времени от 60 до 120 секунд включен нагнетатель воздуха, создающий воздушный поток, питатель цементного порошка отключен. Аэрозольный поток на данном этапе отсутствует, однако в воздушный поток попадает некоторое количество цементного порошка, высыпавшееся при размещении конца наполненного шприца питателя в отверстии трубки Вентури, что выражается в залповом выбросе частиц при включении питателя.
В интервале времени от 120 до 420 секунд включены нагнетатель воздуха и питатель цементного порошка. На данном этапе через измерительный объем лазерной установки проходит аэрозольный поток. Из-за спрессовывания цементного порошка поступление аэрозольного потока в измерительный объем лазерной установки происходит не в момент включения питателя (120 с), а через некоторый интервал времени. Устойчивый аэрозольный поток формируется в интервале времени от 180 до 200 секунд и продолжается до 380 – 400 секунд.
В интервале времени от 420 до 480 секунд питатель отключен, нагнетатель воздуха включен. На данном этапе аэрозольный поток отсутствует, генерируется только воздушный поток, в который может попадать некоторое количество цементного порошка, оставшееся на стенках газохода после пропускания через него цементной пробы.
В интервале времени от 480 до 540 секунд осуществляется «холостое» измерение. На данном этапе нагнетатель воздуха и питатель цементного порошка отключены, аэрозольный и воздушный потоки отсутствуют.
Регистрация сигналов ослабления осуществляется посредством аналого-цифрового преобразователя LA50USB подключенного к компьютеру. Сигналы излучения регистрируются с частотой 1000 Гц. Запись сигналов ослабления в реальном времени осуществляется с помощью программы ADClab (далее программы). Сигналы записываются в виде значений напряжения в вольтах. Для записываемых сигналов ослабления выставляются коэффициенты усиления 50. Интенсивность излучения лазеров перед проведением измерений выставляется таким образом, чтобы амплитуда записываемого программой сигнала была не меньше 0,075 В при интервале записываемых программой значений сигналов от 0 до 0,1 В. Сигналы записываются в двоичном формате, после чего конвертируются в текстовый формат с разрешением измеренных значений до 10-8 В. Конвертированные в текстовый формат данные сохраняются в табличном виде в программе Microsoft Office Excel 2007. Записанные в таком виде сигналы пригодны для дальнейшей обработки и проведения расчета массовой концентрации и среднего объемно-поверхностного диаметра аэрозольных частиц цемента.
С учетом частоты регистрации сигнала (1000 Гц) и времени записи сигнала (540 с) сохраненные в табличном виде данные измерения представляют из себя массив чисел из 540000 значений напряжений (в вольтах) для каждого из трех записанных сигналов. Полученный массив невозможен для графической обработки в Excel, поэтому осуществляется усреднение полученного массива чисел путем вычисления среднего арифметического значений напряжения для каждого интервала времени с шагом 100. В результате формируется массив чисел из значений напряжений на выходе фотоприемника, записанных с частотой 10 Гц, т. е. одной секунде соответствует 10 измерений. По полученному массиву строится график зависимости напряжения (В) от времени (с) (Рисунок 3.9). 1- 650 нм; 2 – 1064 нм; 3 - 405 нм Рисунок 3.9 –График зависимости экспериментально измеренных сигналов ослабления, приведенных к максимуму, записанных с частотой 10 Гц, от времени измерения
Для удобства последующей обработки и более наглядного графического изображения измеренных сигналов, записанных с частотой 10 Гц, значения напряжений усредненного массива чисел подвергаются усреднению путем вычисления среднего арифметического значений напряжения для каждого интервала времени с шагом 10. Таким образом, в массиве, полученном в результате усреднения, напряжение записано с частотой 1 Гц, т. е. одной секунде соответствует одно измерение. По усредненному массиву строится график зависимости напряжения (В) от времени (с) (Рисунок 3.10).
Применение лазерной системы для раннего обнаружения сверхнормативных выбросов
Более подробно процесс обработки рассеянного лазерного излучения описан в п. 1.3. Результатом зондирования аэрозоля и обработки рассеянного излучения является получение значений концентрации дисперсных частиц. После этого осуществляется оценка полученных значений, которая заключается в сравнении полученных на этапе зондирования выбросов значений концентрации дисперсных частиц с предельным значением, являющимся критерием возникновения сверхнормативного выброса. Оценка полученных значений концентрации необходима для определения факта сверхнормативного выброса взвешенных частиц и, соответственно, возникновения отказа в системе пылегазоочистки. Если полученное зондированием значение концентрации не превышает предельное, система продолжает работать на втором этапе алгоритма. Процесс зондирования аэрозольных частиц и обработка полученного сигнала продолжается в том же режиме. В случае превышения измеренной концентрации взвешенных частиц предельного значения происходит переход на следующий третий этап. В процессе зондирования кроме концентрации могут оцениваться дополнительные параметры выброса такие, как место обнаружения выброса (при дистанционном зондирования) или дисперсный состав аэрозольных частиц (при многочастотном зондировании).
На третьем этапе осуществляются меры по предотвращению последствий отказа в системе пылегазоочистки и контроль обнаруженных выбросов. Основная функция системы контроля на завершающем этапе заключается в передаче информации о возникновении и параметрах выброса оператору или автоматизированной системе управления источника выброса для принятия соответствующих мер по предотвращению сверхнормативных выбросов, либо самостоятельном осуществлении мер по предотвращению поступления сверхнормативных выбросов в атмосферу самой системой. Прежде всего, указанные меры направлены на уменьшение концентрации взвешенных частиц в пылегазовых выбросах ниже ПДК и могут заключаться как в остановке производственного оборудования на время устранения отказа, так и в автоматизированном или ручном управлении технологическим процессом. Управление технологическим процессом предусматривает устранение последствий отказа без остановки оборудования. Такое управление может предусматривать отключение секции рукавного фильтра с прорванным рукавом в случае, если последняя ступень очистки представлена рукавным фильтром, либо перераспределении отходящих газов, поступающих на отказавшую систему пылегазоочистки, между исправными системами. Одновременно на третьем этапе продолжается непрерывное зондирование пылегазовых выбросов с целью контроля параметров обнаруженного сверхнормативного выброса и прежде всего концентрации взвешенных частиц. Для контроля параметров выброса система может переводиться в другой режим работы, отличный от первоначального, заключающийся в зондировании области пространства непосредственно над источником выброса (при дистанционном зондировании), проверке дополнительных критериев выброса, либо других изменениях. Третий этап продолжается до тех пор, пока значение концентрации не упадт ниже предельно допустимого значения. В случае, если концентрация аэрозольных частиц упадет ниже предельного значения система переводится на второй этап алгоритма, зондирование продолжается в первоначальном режиме.
Таким образом, предложенный алгоритм работы такой лазерной системы контроля в случае возникновения отказа предусматривает последовательное отслеживание выбросов, контроль их параметров в случае обнаружения, а также передачу информации о возникновении и параметрах выброса оператору или автоматизированной системе управления источника выброса либо осуществление операций автоматизированного управления технологическим процессом с целью предотвращения поступления сверхнормативных выбросов в атмосферу. Определяющим для контроля сверхнормативных выбросов параметром является критерий возникновения сверхнормативных аэрозольных выбросов. 4.2 Анализ существующих критериев возникновения сверхнормативных аэрозольных выбросов
Отказ системы пылегазоочистки приводит к изменению параметров аэрозольных выбросов, таких как перепад давления, массовая концентрация взвешенных частиц, распределение частиц по размерам. Изменения перечисленных параметров аэрозольных выбросов могут использоваться в качестве критериев отказа системы пылегазоочистки и возникновения сверхнормативных аэрозольных выбросов, к которым они приводят.
Рассмотрим подробнее существующие критерии возникновения сверхнормативных аэрозольных выбросов, а также оценим, какие из этих критериев позволяют обнаруживать сверхнормативные выбросы на более ранних этапах их формирования, что важно для снижения загрязнения атмосферы с возможным нанесением вреда здоровью человека.
Для проведения такой оценки необходимо сравнить, при каких минимальных степенях отказа системы пылегазоочистки изменения каждого критерия достаточны для наджного обнаружения сверхнормативных выбросов.
Для сравнения минимальных степеней отказа последней ступени очистки, при которых возможно обнаружить сверхнормативные выбросы, введем числовое выражение степени отказа – кратность отказа последней ступени очистки (далее кратность отказа) k [94] – кратность возрастания массовой концентрации аэрозольных частиц на выходе при отказе последней ступени очистки к массовой концентрации аэрозольных частиц на выходе последней ступени очистки в исправном состоянии.