Обгрунтування структури вимірювального приладу контролю концентрації пилу у видпрацьованих газах теплоелектростанції коксохімічного заводу

Розміри частинок в джерелах викидів різних виробництв можуть становити від 0,1 до 120 мкм в діаметрі при їх концентрації від 0,3 мг/м³ до 150 мг/м³. Дрібні частинки забруднюють повітря, яким ми дихаємо, а великі частки при їх високої концентрації негативно впливають на навколишнє середовище, що також порушує умови життя людей.

Основними засобами уловлювання пилу є рукавні й електростатичні фільтри. Враховуючи, що в ряді випадків такий пил є кінцевим продуктом, що має високу ціну, наприклад, при виробництві цементу, то зниження ефективності роботи фільтрів призводить, крім забруднення навколишнього середовища, і до відчутних фінансових втрат [1].

Склад викидів характеризується наступними даними: діоксид сірки: 0,09 мг/м³, сірководень: 0,006 мг/м³, фенол: 0,007 мг/м³, оксид вуглецю: 1,23 мг/м³, діоксид азоту: 0,068 мг/м³, аміак: 0,19 мг/м³, різні види пилу: 20 мг/м³, сірковуглець, оксид заліза, марганець та його сполуки, свинець та його сполуки, оксид азоту, ціанистий водень, сірчана кислота, сажа, зварювальний аерозоль, вуглеводні граничні, вуглеводні ароматичні , оксид заліза, марганець та його сполуки.

Коксохімічні підприємства по шкідливим, особливо по найбільш небезпечним для людей канцерогенним викидам, займають одне з провідних місць серед підприємств інших галузей промисловості.

Коксохімічне виробництво - це сукупність специфічних виробництв, пов'язаних з високотемпературною обробкою вугільної шихти без доступу повітря і переробкою коксового газу, що виділяється при цьому, з метою отримання цілого ряду цінних хімічних продуктів..

Традиційні технологічні процеси у ряді випадків пов'язані з виділенням в атмосферне повітря шкідливих речовин, що входять до складу коксового газу, таких, як: аміак, оксид вуглецю, оксид азоту, діоксид сірки, сірководень, ціаністий водень, бензол, нафталін, феноли, а також вугільний і коксовий пил. Основні джерела викидів добре відомі, це: операції завантаження і видачі печей, надмірні гази УСТК, аспіраційні гази систем вуглепідготовок і коксосортування, труби коксових батарей, а також розсіяні викиди дверей, стояків, завантажувальних люків і т.д. [6].

Частина коксового газу надходить на ТЕЦ заводу, де спалюється для одержання електроенергії, якою забезпечується весь завод, а також пара, що використовується в технологічному процесі.

Уловлювання пилу з труби ТЕЦ можна здійснювати циклонним пиловловлювачем. На рисунку 1.1 представлена схема, яка пояснює принцип дії пиловловлювача.

Рисунок 1 – Принцип дії пиловловлювача

Запилений газ тангенціально потрапляє до вхідного патрубку пиловловлювача. У корпусі відбувається розділення потоків на чистий та запилений. Частки пилу рухаються ближче до стінок корпусу, за рахунок того, що мають більшу кінетичну енергію, оскільки маса пилу більша за масу повітря.

1.2. Аналітичний огляд методів вимірювання концентрації пилу у пило газовому середовищі викидів ТЕЦ

Методи вимірювання концентрації пилу поділяються на два великі класи: методи, засновані на попередньому осадженні пилу, і методи, що не потребують осадження. Вимірювання концентрації пилу за допомогою її осадження в більшості випадків не зручно, оскільки зникає можливість контролю стану пилогазового середовища в реальному часі. Цій вимозі задовольняє тільки один з методів, заснованих на попередньому осадженні пилу. Це метод вимірювання перепадів тиску на фільтрі. До методів без пробо відбору відносяться: оптичні методи (абсорбційний, метод інтегрального світлорозсіювання), електричні методи (індукційний, контакто-електричний, ємнісний, п’єзоелектричний), акустичний. Найбільш прості у реалізації і точні оптичні методи. Також вони не впливають на пило газове середовище, в якому проводяться вимірювання. Серед оптичних методів при дослідженні полідисперсного пилу метод інтегрального світлорозсіювання має похибку 15%, а абсорбційний – 30%. До низької похибки також можна віднести високу чутливість, навіть при малих концентраціях, та відсутність зсуву нуля.

Порівняльна характеристика методів наведена у табл.1.

Таблиця 1 – порівнювальний аналіз методів вимірювання концентрації пилу

1.3. Аналітичний огляд сучасних засобів вимірювання концентрації пилу.

Порівняльна характеристика вимірювальних приладів зведена у табл.2.

Таблиця 2 – Порівнювальна характеристика вимірювальних приладів

1.4. Висновки

Виходячи з аналізу методів і засобів вимірювання концентрації пилу, найбільш простими в експлуатації та проектуванні є методи, які не потребують попереднього осадження пилу. Ці методи дешевше, оскільки не вимагають додаткових витрат на пробовідбірні пристрої. Так само, вимірювальні прилади, які використовують ці методи, мають значно вищу швидкодію, порівняно з приладами, оснащеними пробовідбірними пристроями. Швидкодія підвищується на стільки, що з'являється можливість проводити вимірювання в режимі реального часу, для здійснення постійного контролю, або отримувати осереднені за певний час результати, для отримання статистичних даних. Серед методів, які не потребують попереднього осадження пилу, найвищою точністю володіють оптичні методи. Найбільш простими у реалізації серед них є абсорбційний метод і метод інтегрального світлорозсіювання. Однак, абсорбційний метод має свої недоліки по відношенню до методу інтегрального світлорозсіювання. Основним є наявність зміщення нуля. При використанні методу інтегрального світлорозсіювання відпадає необхідність у періодичній корекції зсуву нуля. Крім того, метод інтегрального світлорозсіювання має більш високу точність, ніж абсорбційний, особливо яскраво це виражається при дослідженні полідисперсного пилу. В цьому випадку абсорбційний метод дає похибку 30%, а метод інтегрального світлорозсіювання 15%. Так само він забезпечує більш високу чутливість, навіть при малих концентраціях, і лінійність передатної характеристики.

2.РОЗРОБКА МАТЕМАТИЧНОЇ МОДЕЛІ ВИМІРЮВАЛЬНОГО КОНТРОЛЮ КОНЦЕНТРАЦІЇ ПИЛУ

2.1.Розробка математичної моделі

З проведеного аналізу методів і засобів вимірювань випливає, що найбільш придатними методами вимірювального контролю концентрації пилу є оптичні методи. Ці методи прості в застосуванні, забезпечують малу похибку і дають можливість контролю концентрації пилу в реальному масштабі часу як з пробовідбором, так і без. Сумарна інтенсивність розсіяного світла істотно залежить від параметра . Можна виділити три основні граничні значення цього параметра: р << 1, р = 1, р >> 1.

У разі р << 1 розміри часток малі в порівнянні з довжиною хвилі і розсіювання світла сферичної часткою з радіусом r з діелектрика для неполярізованного світла описується рівнянням Релея:

де – інтенсивність світла, розсіяного під кутом до падаючого потоку, розрахована на одиницю інтенсивності падаючого світла, мВт; R – відстань від точки спостереження до частинки, м; – комплексний коефіцієнт заломлення частинки; r - радіус частинки, мкм; - довжина хвилі випромінювання, мкм. У цьому випадку індікатріса розсіювання симетрична, а інтенсивності розсіяного вперед і назад випромінювання однакові.

При р >> 1 розміри частинок значно більші за довжину хвилі. Цей випадок описується законом Бугера-Ламберта-Бера:

де, I_п, I₀ – інтенсивності поглиненого і зондуючого випромінювань, мВт; k – спектральний коефіцієнт поглинання; С – концентрація; L – товщина поглинаючого шару газу, м. Ця формула справедлива для поглинання середовищем зондуючого випромінювання тільки в умовах монохроматичності випромінювання, незалежності коефіцієнта поглинання від частоти і концентрації поглинаючих частинок.

Якщо р = 1, розміри частинок сумірні з довжиною хвилі. Залежність між інтенсивністю розсіяного світла, розміром частинок і довжиною хвилі визначається рівнянням Мі:

де, Iрас – інтенсивність світла, розсіяного під кутом до падаючого потоку, розрахована на одиницю інтенсивності падаючого світла, мВт; R – відстань від точки спостереження до частинки, м; і – інтенсивність розсіяного світла, поляризованого перпендикулярно і паралельно площині розсіяння, мВт. У цьому випадку індікатріса розсіяння ускладнюється, в порівнянні з релеївскою, і збільшується розсіювання вперед.

Рисунок 2 – Розсіювання світла часткою
(анімація: 6 кадрів, 6 циклів повторення, 61 кілобайт)
(Для p<<1 (Релеївське розсіювання) p>>1 (розсіювання Мі))

На рис.3 зображена структура математичної моделі вимірювального контролю концентрації пилу. На схемі зображено: СВД – світловипромінювальний діод; ФП – фотоприймач. Для пилогазового середовища задаються наступні параметри: дисперсний склад (закон розподілу часток за розмірами); С – концентрація пилу. СВД формує оптичне випромінювання з конкретною довжиною хвилі в пилогазове середовище. ФП реєструє розсіяне випромінювання. Так само на схемі вказані дестабілізуючий фактор – температура середовища. Температура впливає як на концентрацію, так і на спектральні характеристики випромінювача, змінюючи його центральну довжину хвилі та інтенсивність випромінювання.

Рисунок 3 – Структура моделі вимірювального перетворення потоку випромінювання

Рисунок 4 – Дисперсний склад пилу

1 - аналітична залежність, 2 - апроксимуюча крива

Дисперсний склад пилу (див. рис. 4 [5] було апроксимовано наступною залежністю:

де r₀=18 – радіус частинок, що мають максимальну кількість у розподілі, мкм; a=0,075 – дисперсія закону розподілу частинок за їх радіусами, 1/мкм.

З аналізу залежності (див. рис. 4) видно, що радіуси часток промислової пилу в основному знаходяться в діапазоні від 1,5 до 70 мкм, при цьому найбільший відсоток маси частинок припадає на 15 мкм. Згідно [3], ], індікатріса розсіювання описується формулою:

(1)

де – параметр дифракції; I₀ – інтенсивність випромінювання, мВт; Q_v, S_v – кутові функції; a_v и b_v – коефіцієнти Мі.

За формулою (1) отримана індікатріса розсіювання для окремої сферичної частинки, що дозволяє визначити інтенсивність розсіяного випромінювання в заданому напрямку. Зовнішній вигляд індікатріси представлений на рис 5. Для побудови використовувалася довжина хвилі 0,642 мкм і радіус 15 мкм, тобто радіус багато більше довжини хвилі. На індикатрис явно відбивається це співвідношення збільшенням інтенсивності розсіяння часткою вперед. Для випадку, коли довжина хвилі більше радіусу частинки, інтенсивність розсіяного вперед і назад випромінювання стають однаковими.

Рисунок 5 - Індикатриса розсіювання окремої сферичної частинки

Для деякої кількості частинок можна визначити сумарну інтенсивність розсіювання середовищем, а також побудувати градуювальну характеристику. Для побудови градуювальної характеристики необхідно перевести концентрацію з мг/м⁰ в ppm, з урахуванням допущення, що частинки пилу знаходяться на досить великій відстані один від одного, що зводить до мінімуму їх взаємний вплив, і середовище є ідеальним газом. Перерахунок здійснюється за формулою:

(2)

де – концентрація (мг/м³); М – молярна маса речовини (вуглець); R – газова постійна; T₀, р₀ – температура и тиск при нормальних умовах (К) и (Па).

Для вихідних даних з урахуванням (2) отримаємо:

(3)

де С₀ – концентрація пилу при нормальних умовах; Т и Р – відхилення температури і тиску від нормальних умов.

Рисунок 6 - Градуювальна характеристика вимірювального контролю концентрації пилу

Градуювальна характеристика вимірювального контролю концентрації пилу, яка отримана з використанням (3) для температури від 20 до 50 ^оС, наведена на рис. 6.

З аналізу залежності (див. рис. 6) видно, що характеристика лінійна, а вплив температури носить мультиплікативний характер і збільшується до кінця діапазону вимірювань. Це змінює кут нахилу характеристики і чутливість вимірювача. За характеристикою визначена чутливість для нормальних умов (Т=20 ^оС), величина якої становить:

(4)

На підставі проведених досліджень можна зробити висновок, що вимірювач повинен сприймати випромінювання від 0,105 до 2,1 мВт і перетворювати його до рівня вхідної постійної напруги аналого-цифрового перетворювача величиною від 0 до 5 В.

випромінювання повинна бути менше діаметра частинки. Звідси, в якості джерела випромінювання обраний лазерний діод типу D6605I, з наступними характеристиками:

– Центральна довжина хвилі випромінювання: 0,66, мкм;

– Номінальний струм живлення: 12, мА;

– Оптична потужність: 5, мВт;

Випромінювання джерела відноситься до червоної області спектра, в діапазоні від 625 до 740 нм. Тоді, в якості фотоприймача вибираємо фотодіод, який сприймає спектр якнайближче до цієї області, для зменшення впливу решти спектру на результат вимірювання. Фотодіод типу ФД-20-30К перекриває помаранчеву і частину ІЧ-області. Його характеристики:

– діапазон довжин хвиль : от 0,5 до 1,1, мкм;

– напруга живлення : 5, В;

– темновий струм : 0,1, мкА;

– інтегральна чутливість до сигналу (при =0,9 мкм) : 0,3, А/Вт;

– постійна часу : 1,8, мкс.

Висновки

При проведенні досліджень розроблено математичну модель вимірювального контролю концентрації пилу, яка враховує індикатрису розсіювання окремої сферичної частинки з використанням математичного апарату теорії Мі, що дозволяє визначити залежність інтенсивності розсіяного частинкою випромінювання від кута розсіювання.

При дослідженні математичної моделі отримана градуювальна характеристика вимірювача, яка має лінійний характер на всьому діапазоні концентрацій від 0 до 20 мг/м³, що дозволяє визначити чутливість вимірювача з виміру концентрації пилу в зазначеному діапазоні.

Математична модель враховує вплив температури на градуювальну характеристику. Вплив носить мультиплікативний характер, змінюючи кут нахилу характеристики, а, отже, чутливість.

На підставі результатів моделювання розроблені вимоги до вимірювача:

– джерело випромінювання було вибрано виходячи з вимоги Мі: довжина хвилі повинна бути менше, по відношенню до найменших часток у дисперсному складі;

– фотоприймач повинен бути як можна більш вузькосмуговим. Його спектральна характеристика повинна розташовуватися в червоній області спектру. Це необхідно для зниження впливу фонового випромінювання.

При написанні даного реферату магістерська робота ще не завершена. Остаточне завершення: грудень 2013 року. Повний текст роботи та матеріали по темі можуть бути отримані у автора або його керівника після вказаної дати.

Перелік посилань

1. Клименко А.П. Методы и приборы для измерения концентрации пыли / А.П. Клименко. – М.: Химия, 1978. – 198 с.
2. Справочник химика: в 6 т. Т. 4: Аналитический анализ, спектральный анализ, показатели преломления /Под. общ. ред. Б.П. Никольского. – Л.: Химия Ленингр. отделение, 1967. – 920 с.
3. Галенко Ю.А. Моделирование коэффициента теплового излучения полубесконечной дисперсной среды / Ю.А. Галенко, М.О. Сысоева. // Ползуновский вестник. Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова. – № 1 – 2. – 2008. – с. 28-32.
4. Шифрин К.С. Рассеяние света в мутной среде. / К.С. Шифрин. – М. – Л.: Госттехиздат, 1951. – 288 с.
5. Штокман Е.А. Очистка воздуха. Учебное пособие. / Е.А. Штокман. – М.: Изд-во АСВ, 2007. – 312 с.
6. Исследование технологических методов сокращения выбросов газообразных токсичных веществ в процессах коксохимического производства. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http ://masters.donntu.ru/2009/fizmet/vislobod/diss/index.htm – дата обращения: 12.05.2012 – название с экрана
7. Корольченко А. Пожаровзрывоопасность промышленной пыли / А. Корольченко, М.: Химия, 1986. – 235 с.
8. Бараночников М.Л. Приёмники инфракрасного излучения / М.Л. Бараночников, М.: 1985. – 94 с.
9. Коузов П.А. Основы анализа дисперсного состава промышленных пылей и измельчённых материалов / П.А. Коузов, Л.: Химия, 1987. – 264 с.
10. ван де Хюлст Г. Рассеяние света малыми частицами / Г. ван де Хюлст, М.: Издательство иностранной литературы, 1961. – 536 с.