Розділ 6. Обладнання для очищення повітря і виводу пило-газовиділення в ливарних цехах
Тема 6.1. Характеристика і властивості пило-газовиділення
1. Проектування вентиляційних систем
При проектуванні приділяється велика увага створенню нормальних санітарно-гігієнічних умов праці. При будівництві ливарних цехів 30-40% усіх капітальних витрат йде на установки і пристрої, що забезпечують нормальні умови праці. До них відносяться приточно-витяжні агрегати, установки для кондиціонування повітря, спорудження для очищення шламових вод, штучне висвітлення ртутними і люмінесцентними лампами і т.д.
Експлуатаційні витрати на обслуговування вентиляційних установок сучасного цеху також великі. Наприклад, у чавунно-ливарному цеху середньої потужності постійно викидається з цеху відсмоктуючією вентиляцією, приблизно 30 млн. м3/год відпрацьованого повітря і така ж кількість повітря подається у цех кондіціонуючими установками. Потрібна кількість електроенергії усіх вентиляційних систем у ливарному цеху середньої потужності складає понад 26 МВт. Температура повітря в цеху узимку повинна бути близько +16оС (при зовнішньої –30о С ) і влітку близько +28оС (при зовнішньої +24оС).
Сучасні ливарні цехи складаються з двох поверхів. На другому поверсі, як правило, розміщається основне технологічне обладнання – плавильні агрегати, ливарні автоматичні лінії, індивідуальні (для кожної лінії) сумішоприготувальні установки, стрижневі машини. На першому поверсі розташована вибивка виливків, переробка і транспортування відпрацьованих формувальних сумішей і просипей від формувальних машин. Висота першого поверху звичайно 7-8 м, а другого – 10-11 м.
Таким чином, найбільша кількість пилу зосереджена на першому поверсі, де найменше число працюючих.
Усі пилоутворюючі місця ретельно вкривають кожухами і відсмоктуючими зонтами. Зонти, розташовані на другому поверсі, мають нижній або бічний відсмоктуючий трубопровід, що опускається на перший поверх. По нижньому поверсі уздовж колон цеху прокладають магістральні вентиляційні колектори великого перетину з численними відводами до захисних кожухів. Могутні вентилятори 2 усмоктують запилене повітря, яке, пройшовши через мокрі пилоочисні установки, надходить у вихлопні труби висотою 40-45 м, установлені, як правило, у центральній частині будинку цеху (мал.22.1 Л4).
Приплив повітря здійснюється кондиціонерами 1, що подають у робочу зону цеху влітку очищене, зволожене й охолоджене повітря, а узимку тепле. Кондиціонери 1 установлюють як з боків будинку, так і на даху, що дозволяє найкоротшим шляхом подати повітря до робочих місць. Ступінь вентиляції будинків оцінюють кратністю обміну повітря. Під кратністю обміну розуміють відношення кількості повітря, поданого вентиляційною установкою в 1 годину у дане приміщення, до його об’єму.
Кратність обміну повітря непостійна для різних зон цеху. Так, у нижній частині другого поверху висотою 2-2,5 м (зона А), де найбільше число працюючих, кратність повітрообміну 20-30, а в зоні Б, де майже немає працюючих, 2-5. Така вентиляція цеху забезпечується з найменшими витратами.
2. Джерела пило - і газовиділення у ливарних цехах
Обезпилювання ливарних цехів – надзвичайно складна науково-технічна проблема, обумовлена особливостями виробничих процесів і фізико-хімічною характеристикою пилу. Для багатьох ливарних процесів неминуче виділення у великих кількостях пилу і газів.
Попередження утворення пилу в ливарних цехах утрудняється також її специфічними особливостями, до яких відносяться: велика абразивність часток; наявність дрібнодисперсних фракцій (потрібно багатоступінчасте очищення); висока температура газів, яки викидаються, і погане змочування пилу. У зв'язку з цим необхідна висока надійність пиловловлюючих пристроїв.
Крім засобів пиловловлення необхідно удосконалювати як сам технологічний процес, так і окремі агрегати, щоб не допускати надходження пилу в навколишнє середовище, вести вишукування по застосуванню нових технологічних матеріалів, переробка яких не супроводжувалася б значним пило - і газовиділенням.
До основних процесів ливарного виробництва, яки виділяють найбільшу кількість газів і пилу, відносяться: плавка у вагранці, дугових і індукційних печах, заливання металу, вибивання виливків, підготовка вихідних формувальних матеріалів, особливо відпрацьованих сумішей і очищення виливків. Інтенсивність пило - і газовиділення залежить від продуктивності і конструкції агрегату, режиму роботи, технологічного процесу і т.д.
Ті самі агрегати можуть виділяти різну кількість пилу і газів у залежності від періоду робочого процесу. Наприклад, при плавці металу в електропечі найбільше пило - і газовиділення буде в період продувки металу киснем. Інтенсивність пиловиділення електропіччю залежить також від складу шихти і ступеня її забруднення. Для вибору методів очищення промислових викидів необхідно знати фізико-хімічні властивості пилу і газів.
Пил, виділюваний плавильними агрегатами, складається з часток матеріалів, використовуваних у процесі плавки чавуна і стали, до яких відносяться оксиди металів, коксова пил, пил флюсів і добавок. Отже, виділюваний пил полідисперсний, тому що складається з часток різних розмірів і щільності.
Пил, виділюваний при переробці відпрацьованих формувальних сумішей, в основному складається з оксидів кремнію SiО2 і рідше SiО.
Майже 60% пилу в газах, що відходять від електропечей, складається з часток розміром менш 6 мкм; вона надзвичайно важко уловлюється фільтрами. Дрібнодисперсний кремнеземистий пил шкідливий для здоров'я, тому що в дихальних органах людини він не розчиняється і погано віддаляється, що викликає важке захворювання - силікоз. При вдиханні металевих з'єднань, таких, як оксиди заліза і марганцю, у людини виникають захворювання слизуватої оболонки верхніх дихальних шляхів.
При плавці і заливанні металу у форми виділяється значна кількість оксидів вуглецю, що, як відомо, надзвичайно шкідливо для людини.
Гранично припустимі норми (мг/м3) концентрації шкідливих речовин, що містяться в повітрі виробничих приміщень ливарного цеху, відповідно до санітарних норм:
Оксид вуглецю.............................................................… 20
Аміак............................................................…................. 20
Фенол.............................................................................… 5
Формальдегід.................................................................... 0,5
Анілін.............................................................…................. 0,1
Фурфурал............................................................................ 10
Оксид азоту....................................................................... 5
Сірчисті з'єднання…….................................................... 10
Оксиди:
заліза......................................................................... 4
цинку......................................................................... 5
марганцю................................................................... 0,3
нікелю........................................................................ 0,5
Пил:
утримуюча 70% SiО2............................................... 1
-- “ -- 10-70% SiO2.............................................. 2
-- “ -- 10 % SiО2 ................................................. 4
-- “ --глин, мінералів (без SiО2)....................… 6
Тема 6.2. Обладнання для очищення повітря від пило- і газовиділення
1. Вибір способу очищення
При виборі очисного пристрою враховують фізико-хімічні властивості шкідливих речовин, що виділяються: склад, розмір часток, їхня щільність, кількість, температуру й інтенсивність виділяючихся газів і гранично припустимі концентрації їх після очищення, можливості розміщення очисного пристрою в цеху й ін.
При плавці металу виділяються гази і пил з температурою до 900оС. Пил, що виділяється, містить частки різних розмірів (від декількох мікрометрів до декількох міліметрів). По своєму складі цей пил дуже різноманітний, тобто містить частки оксидів різних металів, частки графіту, флюсів і т.д. Одночасне виділення пилу і газів ускладнює вибір способу очищення. Наприклад, мокрий спосіб, застосовуваний для уловлювання пилу, непридатний для очищення від оксиду вуглецю. Каталітичне допалювання – ефективний спосіб звільнення від окису вуглецю, але при наявності пилу в газах неефективний, тому що каталізатори в цьому випадку швидко забруднюються. Зниження температури газів після очищення їх від пилу за допомогою води знижує стійкість каталізатора.
При використанні, як очисників, матер'яних фільтрів і єлектрофільтрів потрібно попереднє охолодження газів до t < 280оС. Однак температура газів після охолодження не повинна доходити до температури крапки роси щоб уникнути утворення конденсату, налипання фільтруючого матеріалу і зниження ефекту очищення.
При виборі способу очищення від пилу необхідно також враховувати агресивність і вибухонебезпечність газових компонентів. Наприклад, при промиванні водою газів, що містять сірчисті з'єднання, утворяться кислоти. Отже, у цьому випадку повинні бути застосовані кислототривкі матеріали. При наявності в газах вибухонебезпечних компонентів, що очищаються, не можна допускати застосування очисників, у яких можуть утворитися іскри, тому що останні можуть викликати вибух.
Для очищення пило - і газовиділення використовують в основному два способи – сухої і мокрий. У ливарних цехах найбільше поширення одержав мокрий спосіб очищення.
2. Сухі пиловловлювачі
Для уловлювання пилу при сухому способі очищення застосовують інерційні пиловловлювачі (пилоосадочні камери і циклони), матер'яні фільтри, електрофільтри. Принцип дії пристроїв сухого очищення, заснований на інерційному осадженні часток пилу в уловлювачі, полягає в зміні напряму руху газів і зменшенні швидкості їхнього руху.
2.1. Пилоосадочні камери уловлюють лише частки пилу розміром більш 200 мкм, що не задовольняє вимогам санітарних норм. Однак завдяки простоті спорудження і надійності в роботі на практиці їх застосовують як першу ступінь очищення. На мал.6.1 показана схема очищення ваграночних газів від пилу в пилоосаджувальних камерах. Запилені гази при виході з вагранки 1 різко змінюють свій напрямок руху і проходять через камеру 3, де частки пилу, утративши швидкість, випадають у бункер 2. Потім гази направляються по газоходу 5 і, змінивши напрямок, попадають у іскрогасильну камеру 7, де також відбувається додаткове осадження пилу. Зібраний пил з бункера 2 і камери 6 віддаляється через пилопроводи 8 і 4.
Гідравлічний опір пилоосаджувальної камери незначний (40-45Па), тому він переборюється тягою, яка є у витяжній трубі вагранки. Дрібні частки пилу цією системою не уловлюється.
2.2. Циклон(мал.6.2) складається з вхідного патрубка 1, циліндричної частини 2 звареного листового корпусу, внутрішнього циліндра 3, вихлопного колектора 5. Запилене повітря, що відсмоктується вентилятором, проходить тангенціально по вхідному патрубку, який розширюється, у циліндричну частину 2 корпусу, при цьому швидкість повітря трохи зменшується. Під дією відцентрової сили більш важкі частки притискаються до стінок корпуса, утрачають швидкість і осаджуються в конічній частині 4. Далі потік повітря робить різкий поворот і знизу входить у внутрішній циліндр. При цьому вже більш легкі частки торкаються конусної частини корпуса і також осаджуються, а відносно чисте повітря через вихлопний колектор 5 і вентилятор іде в атмосферу або проходить другу ступінь очищення, наприклад, матер'яний фільтр.
У нижній частині конуса циклона періодично чи безупинно висипають пил через конічну частину циклона. Коефіцієнт очищення циклоном від сухого кварцового пилу діаметром часток 5-20 мкм складає 70-80%. Пропускна здатність циклона діаметром 500-600 мм 2500-3500 м3/год повітря. Циклони діаметром більш 1 м роблять дуже рідко, тому що вони займають велику площу.
З метою компактності і підвищення ефективності очищення циклони групують батареями по 4, 6, 8 шт. Схема батарейного циклона показана на мал.6.3. Вхід запиленого повітря здійснюється через патрубок 1, вихлоп - через колектор 2, збір пилу - у бункері 4. З метою попередження конденсації пар при очищенні гарячих газів циклони 3 і бункер повинні мати теплову ізоляцію.
Інерційні пиловловлювачі (пилоосадочні камери, циклони і т.д.) мають низький ступінь очищення газів. Тому їх найчастіше використовують як першу ступінь очищення.
2.3. Матер'яні фільтри використовують як другу ступінь очищення. Коефіцієнт очищення матер'яними фільтрами при уловлюванні навіть пилу дрібної фракції доходить до 99%. Матер'яні фільтри бувають рулонні і рукавні. Найбільш поширені рукавні фільтри.
Як фільтруючий матеріал у матер'яних фільтрах застосовують різні ткані і синтетичні неткані матеріали. Найбільш ефективні неткані синтетичні матеріали, виготовлені глопробивним способом. Ступінь їх очищення складає понад 98%. Глопробивні матеріали піддаються регенерації, при цьому пилоутримуючі властивості їх міняються незначно. Щільні бавовняні тканини не придатні для очищення повітря від мінерального пилу, тому що швидко забиваються пилом і їх опір повітря різко зростає.
Рукавний фільтр (мал.6.4) складається зі звареного листового кожуха, усередині якого міститься система фільтруючих матер'яних рукавів 3, і електричного вібратора 8 для струшування фільтра під час його очищення від пилу. Забруднене повітря подається через вхідний патрубок 2, а очищене повітря виходить через камеру 7 у патрубок 6. В міру накопичування пилу на рукавах їх очищають. Для цього через отвір, що закривається за допомогою пневмоциліндра 4 кришкою з гумовим ущільненням 5, подається повітря в камеру 7, одночасно включається вібратор 8. Пил, що знаходиться на рукавах, зсипається в бункер 1. Пропускна здатність таких фільтрів у межах 10-40 тис.м3/ч. Діаметр рукавів 200-250 мм, довжина до 3 м, а їх число від 24 до 120. Коефіцієнт очищення досягає 99%. Матеріал рукавів - синтетична чи скляна тканина, яка витримує температуру гарячих газів до 250о С.
2.4. Електрофільтри(мал.6.6). У цих апаратах запилений газ проходить через електричне поле високої напруги, під дією якого газ іонізується. Іони заряджають пил, що знаходиться в газі. Заряджені порошини, проходячи через електричне поле, притягаються до осаджувальних електродів.
Електрофільтр складається з корпуса 1, секцій осаджувальних електродів 3, короніруючого електроду 4, бункера 5 для збору пилу, патрубка 6 для виходу запиленого газу і патрубка 2 для виходу очищеного. Автоматично через кожні 2-4 хвилини осаджувальні електроди кожної секції струшуються від пилу в бункер 5. Електрофільтр працює на постійному струмі до 100 кв. Для одержання постійного струму звичайно електрофільтр обладнають електричною підстанцією, у якій установлені регулятор напруги 9, трансформатор 8 і випрямувачі 7, які перетворять перемінний струм напругою 380В в постійний. Коефіцієнт очищення 98 %. Для більш ефективного очищення газів, що відходять, іноді в електрофільтр вбудовують батарейні циклони.
3. Мокрі пиловловлювачі
Мокрий спосіб очищення заснований на принципі уловлювання часток пилу розпиленою рідиною. Краплі рідини стикаються із твердими частками, змочують їх та виносять з головного потоку. Забруднена вода після осадження з неї твердих часток повторно використовується в системі мокрого очищення.
До мокрих пиловловлювачів відносяться: відцентрові скрубери; пінні фільтри; ротоклони; турбулентні промивачі Вентурі.
3.1. Відцентровий скрубер(мал.6.7) працює за принципом протитоку: гази надходять знизу циліндричного резервуара 1, а зверху з кільцевого колектору 2 через форсунки 3 тангенціально під тиском подається вода у виді дрібних краплів. Частки пилу, що надходять разом з повітрям, змочуються водою і падають разом з нею вниз, де через гідрозатвор 4 шлам видаляється в шламовідстійник 5.
Ефективність скруберів невисока, при цьому значна витрата води і велика займана площа. Скрубер простий у виготовленні.
3.2. Пінні фільтри (мал.6.8) у порівнянні зі скруберами мають більш високий коефіцієнт очищення і трохи менше витрачають води. Газ, який очищується, по патрубку 6 підводиться в підрешітчастий простір, направляється вниз і попадає в воду бункера 1. Газ, який очищується, входить у фільтр зі швидкістю 10-11 м/с, завдяки чому усі великі частки уловлюються в бункері водяною поверхнею. Потім газ, звільнений від великих часток, змінює напрямок на 180о і піднімається вверх, проходить через дві пінообразуючих решітки 2, 3 сепаратор 4, який виконаний з металевих кілець.
Постійний рівень води в бункері підтримується рівнеміром 8. Для подачі води на решітки 2, 3 служить пристрій 7. Для очищення сепаратора 4 від шламу зверху через спеціальний колектор 5 періодично подається вода. Запилене повітря проходить через шар води (зі швидкістю 10-11 м/с), який знаходиться над кожними решітками, утворить водяну піну, завдяки якій запилений газовий потік добре очищується від газів SO2, CO. Діаметр отворів у решітках 5-10 мм, крок 15-25 мм.
Коефіцієнт очищення коливається в межах 87-99,5 % у залежності від фізичних властивостей пилу. Перевага пінного фільтра в тім, що він не тільки очищає газ від пилу, але і розчиняє різні газові домішки завдяки гарному контакту газів з водою.
3.3. Ротоклонишироко застосовують у ливарних цехах для очищення повітря від кварцового пилу. Запилене повітря засмоктується через ротоклон (мал.6.9) вентилятором 1, установленим на його корпусі, у прийомну камеру 2 і далі проходить між двома фігурними балками (імпелерамі) 3, розташованими по обидва боки корпуса попарно. Нижня частина корпуса ротоклона заповнюється водою, заданий рівень якого під час роботи підтримується автоматично. Завдяки створюваному вентилятором розрідженню повітря рівень води в центральній частині знижується, а по краях (за імпелерамі) трохи підвищується, залишаючи зазор між нижнім виступом верхніх імпелерів і поверхнею води близько 50-60 мм. Повітря проходить між імпелерамі, неодноразово різко змінює напрямок руху у результаті чого частина води захоплюється повітрям, утворюючі в такий спосіб суцільний водоповітряний вихровий потік. Частки пилу, потрапляючи в нього, затримуються водою і постійно осаджуються на дно ротоклона у виді шламу. Скребковим конвеєром 4 шлам періодично вигрібається в шламозбиральник чи в спеціальну коробку, а потім віддаляється.
Коефіцієнт очищення запиленого повітря від кварцового пилу складає 99,7%, гідравлічний опір 2,6 103 Па. Витрата води в ротоклонах незначний. Порівняно мала витрата енергії, тому що немає необхідності розпорошувати воду. Ротоклони не вимагають особливого відходу і надійні в експлуатації. Недолік ротоклону - дуже трудомістке виготовлення імпелерів складної конфігурації з корозійностійкої стали.
3.4. Турбулентні промивателі Вентурі. Димові гази від електропечей і вагранок містять пил, розміри часток якої коливаються від декількох мікрометрів до міліметра. Для очищення димових газів від електропечей і вагранок застосовують турбулентні промивателі - труби Вентурі, тому що застосування пінних фільтрів і ротоклонів не дає необхідного очищення дрібнодисперсних ( 
5 мкм), часток пилу, яки змочуються погано. Головна особливість турбулентних промивачі полягає в тім, що при проходженні через них дрібного пилу частки його коагулюються (укрупнюються), це значно полегшує очищення. У системі очищення може бути від однієї до шістнадцяти труб Вентурі.
Швидкість повітря в поперечному перерізі вузької частини труби-коагулятора в межах 70-100 м/с. Схема установки для очищення ваграночних газів за допомогою труб Вентурі показана на мал.6.10.
З закритої вагранки 1 гази відбираються через бічний отвір під завантажувальним пристроєм, вище шару шихти. Далі по короткому газоході 2 вони надходять у двоходову зрошувану пилову камеру 3 розмірами 1600х1400мм у плані. В другий половині камери розміщені два яруси форсунок 4 з отворами діаметром 6 мм. Охолодженні, зволоженні і частково очищенні від великих часток пилу гази попадають у турбулентний промивач 5, вузька частина якого має діаметр 150 мм. Вода вводиться через одну центральну форсунку в вузьку частину труби (конфузор), де частинки змочуються, укрупнюються і осаджуються. Далі гази випливають в інерційний круглий шламовідділювач 6 діаметром 1100 мм і виходять у каплевловлювач 8 діаметром 800 мм; на вході в нього газовий потік одержує обертальний рух завдяки направляючим лопаткам 7 з кутом підйому 30о.
У якості каплевловлювачів за турбулентними промивателями встановлюють прямоточні скрубери чи циклони. Гази протягаються димососом 9 по газоходу 10 у камеру допалювання оксиду вуглецю і прохолоджуються в рекуператорі до 150-200оС. Охолоджені в рекуператорі гази викидаються в атмосферу через відносно невисоку трубу. Турбулентний промивач і пилова камера орошаються технічною водою.
Для одержання високого коефіцієнта очищення і залишкової запиленості в межах 0,1-0,15 г/м3 і менш потрібен перепад тиску на промивателі 16 кПа і більш. При перемінній витраті газів постійний перепад тиску газів на промивателі підтримується регулюванням витрати подаваної в нього води. Коефіцієнт очищення газів турбулентним промивателем у залежності від початкової запиленості і фізико-хімічних властивостей пилу коливається в межах 95-98 %.
Турбулентний промивач споживає значну кількість енергії унаслідок високого гідравлічного опору. Наприклад, для витрати газу до 1000 м3/год потрібно електродвигун потужністю 160 квт.
Тема 6.3. Пристрою для відсосу запиленого повітря і газів від обладнання
1. Вентилятори
Вентилятор - пристрій, що служить для стиску і переміщення газів (повітря). У промисловості для вентиляційних систем найбільше поширення одержали відцентрові вентилятори. По тиску, що розвивається, відцентрові вентилятори підрозділяють на три види: високого тиску 3-10 КПа; середнього тиску 0,5-3 КПа; низького тиску 500 Па.
Відцентрові вентилятори усіх видів широко використовуються в ливарних цехах. Наприклад, вентилятори високого тиску (ВВТ) застосовують головним чином для усмоктувальних систем пневмотранспорту сухих формувальних матеріалів, вентилятори середнього тиску - для місцевих витяжних вентиляційних установок, а вентилятори низького тиску - для систем загальнообмінної вентиляції, в опалювальних приточних системах і кондиціонерах.
Любий вентилятор може працювати в режимі розрідження й у режимі надлишкового тиску (напору).
Відцентровий вентилятор (мал.6.11) складається з корпуса 1, патрубків всмоктувального 2 і напірного 3, ротора 4, посадженого жорстко на валу 5. При обертанні ротора повітря надходить в осьовому напрямку, відкидається лопатками до периферії й іде в напрямку вихлопного патрубка. У результаті дії відцентрової сили тиск повітря у вентиляторі підвищується. Ніж більше лопатки і більше частота обертання ротора, тим більше буде надлишковий тиск, що розвивається вентилятором.
Застосовують лопатки робочих коліс прямі, загнуті вперед і загнуті назад. Лопатки, загнуті вперед, застосовують у вентиляторах низького і середнього тиску. Для високонапірних вентиляторів застосовують лопатки, загнуті назад. Лопатки прямі застосовують у вентиляторах спрощеного типу (пилові вентилятори ).
Вентилятори можуть бути правого і лівого обертання (Мал.6.12). Напрямок обертання визначаються з боку вала електродвигуна. при експлуатації вентиляторів необхідно стежити за ретельним балансуванням ротора. При незначному розбалансуванні ротора настає прогресуюча вібрація, руйнування вентиляторів і фундаменту.
У невеликій і середній вентиляційній установках використовують відцентрові вентилятори з лопатевими колісьми, консольно закріпленими на валу електродвигуна. У великих вентиляційних установках з великою витратою повітря і високим перепадом тиску застосовують вентилятори з валами на двох опорах, із приводом через еластичну муфту чи з клінореміною передачею.