Очистка воздуха на предприятиях деревообрабатывающей промышленности

Малогабаритные пылеуловители (промышленные фильтры) для аспирации древесной и других видов пыли

И. М. Квашнин, канд. техн. наук, ведущий специалист НПП «Энергомеханика-М»;

Д. В. Хохлов, директор НПП «Энергомеханика-М»

Рассмотрим преимущества и недостатки обоих способов очистки воздуха: посредством циклонов и пылеуловителей.

Преимущества использования циклонов

Главное из них – это простота в устройстве и эксплуатации. Движущиеся части отсутствуют, обслуживание заключается в своевременном опорожнении бункера. Использование циклонов рационально при большом объеме образующихся отходов.

Недостатки использования циклонов

Главный из них с позиции собственника – унос теплоты из помещения с аспирационным воздухом, что называется «пускать деньги на ветер» (это послужило стимулом к применению тканевых фильтров). Другой минус – такие системы централизованные, т. е. имеют значительную протяженность воздуховодов и мощный вентилятор. Не зря в каталогах всех ведущих фирм пылевые вентиляторы начинаются с пятого номера и выше (отметим, что в России только три-четыре компании производят пылевые вентиляторы № 2,5, 3,15 и 4). Деревообрабатывающие участки, цеха имеют особенность – низкий коэффициент одновременности работы станков. Налицо перерасход электроэнергии из-за высокого аэродинамического сопротивления аспирационных систем и низкого КПД использования вентилятора. Другой недостаток циклонов – несоблюдение экологических нормативов качества атмосферного воздуха. Разработчикам инвентаризации и проекта нормативов предельно допустимых выбросов (ПДВ) загрязняющих веществ в атмосферу для предприятия хорошо известно, что при работе трех и более станков достичь ПДК для древесной пыли на границе санитарно-защитной зоны даже при очистке в высокоэффективном циклоне типа УЦ крайне затруднительно.

В большинстве случаев установлены: циклоны типа «К», которые предназначены для осаждения только стружки и крупнодисперсной пыли; циклоны типа «Ц», не рекомендованные в настоящее время к применению из-за забивания внутренних жалюзи при эксплуатации; циклоны НИИОГАЗ, не предназначенные специально для древесной пыли; самодельные циклоны, не выдерживающие какой-либо критики.

Циклон выполняет свои функции при проектном объеме очищаемого воздуха с небольшим варьированием. Как уже отмечалось, станки работают не одновременно. На неработающем оборудовании шиберы закрывают. Хотя и происходит некоторое перераспределение отсасываемого от станков воздуха, в целом его объем уменьшается. И наоборот, нередко встречаются случаи, когда в результате модернизации производства к существующей системе подключают новые станки, чтобы она «тянула», заменяют шкивы, электродвигатель или вентилятор в целом на более мощный, но циклон никогда не меняют. А зачем? Мелкую пыль и так ветер унесет, а крупную в лучшем случае можно подмести. Этому не способствуют и высокие цены – от 50 000 руб. на одиночный циклон УЦ-1 100 без бункера, соответствующий пылевому вентилятору № 5.

Преимущества промышленных фильтров

Главное из них – высокая степень очистки, позволяющая возвращать очищенный воздух в рабочее помещение. Соответственно, выполняются все экологические нормативы для атмосферного воздуха. Удивительно, но в советское время выпускался только один тип фильтров для улавливания древесной пыли ФРКН-В [1], и он не имел широкого применения. Очевидно, это связано с действовавшими в то время экологическими и вентиляционными нормами, а также низкой стоимостью теплоносителей. С начала 1990-х годов ситуация коренным образом изменилась. В первую очередь, сменился собственник: вместо государства пришли предприниматели. Значительно возросла доля мелких предприятий, например, в Пензенской области мебель делают даже в личных гаражах, сараях, складах. Для частных предпринимателей возникла проблема: с одной стороны, тепло в помещении надо сохранять, с другой, образующиеся опилки и стружки необходимо удалять. Очевидно, что без системы вентиляции находиться в помещении можно только в респираторе или специальной маске, а это не способствует повышению производительности труда. Сразу же возникла необходимость в простейшей системе аспирации. Она делается просто: на выходной патрубок вентилятора, аспирирующего станок, надевается мешок, не обязательно из фильтровальной ткани (рис. 1).

Рисунок 1. Простейшая система аспирации: на выходной патрубок вентилятора, аспирирующего станок, надевается мешок, не обязательно из фильтровальной ткани

Неудобство заключается в том, что скапливающиеся в мешке отходы снижают площадь фильтрации, что приводит к уменьшению объема аспирируемого воздуха, вплоть до нуля.

Что интересно, подобные «мешочные фильтры» применялись на Западе еще в ХIХ веке для улавливания опилок при работе круглопильных станков и явились прообразом современных рукавных фильтров [2]. Они подвешивались вертикально и опорожнялись через нижнюю часть. В России примерно с середины 1990-х годов получил распространение пылеуловитель, который сразу решил проблемы мелких предпринимателей. Другое его название – стружкоотсос (рис. 2). Их конструкция может незначительно различаться, но принцип действия один. Аспирируемая пылевоздушная смесь вентилятором 1 подается тангенциально в кольцевую часть 2, где с помощью циклонного элемента 3 происходит отделение крупных частиц, которые оседают и скапливаются в нижней части 4 сборного мешка 5. Весь воздушный поток с содержащейся в нем мелкой пылью через центральную часть элемента 3 поступает в верхнюю часть 6, представляющую собой рукав из фильтровальной ткани. Схематично работу пылеуловителя можно представить так: отходы скапливаются в нижнем мешке, а воздух уходит через верхний. Объем нижнего мешка рассчитывается исходя из условия возможности его переноски вручную к месту складирования отходов. Для бесперебойности работы следует иметь сменный сборный мешок. Возможно использование одноразовых полиэтиленовых мешков. Тогда их рекомендуется вкладывать в металлическую емкость такого же диаметра, чтобы исключить давление на стенки, создаваемое вентилятором. Размер, а точнее площадь поверхности, фильтровального рукава F, м², должна быть согласована с производительностью вентилятора и равна

F = L / l ,

где L – объем очищаемого воздуха, м³;

l – удельная воздушная нагрузка фильтровального рукава, м³/(м² • ч), которая показывает, какой объем воздуха (м³/ч), допускается пропускать через 1 м² фильтрующей поверхности для обеспечения ее паспортной степени очистки.

Рисунок 2. В России примерно с середины 1990-х годов получил распространение пылеуловитель – стружкоотсос

По данным [2, 3], для большинства материалов удельная воздушная нагрузка фильтровального рукава лежит в пределах 360–900 м³/(м² • ч).

Некоторые производители в рекламе пылеуловителей указывают большой объем очищаемого воздуха L при малой фактической площади фильтровальных рукавов F, которую иногда вообще не приводят, т. е. величина l завышается. Марка фильтровального материала считается коммерческой тайной. В итоге заявленную степень очистки и минимальный размер улавливаемых частиц трудно проверить даже специалисту. Регенерация фильтровального материала осуществляется вручную путем встряхивания и вытряхивания рукавов. При необходимости рукав можно снять и постирать.

Пылеуловитель устанавливают в том же помещении, что и станок, на расстоянии до 3–7 м и соединяют с ним гибким съемным шлангом; пылеуловитель имеет свою регулируемую опору, поэтому эта система, назовем ее пылеулавливающей системой (ПУС), мобильна. Занимаемая площадь пола – не более 0,7 м². Это важно для предпринимателей-арендаторов. Наиболее удачна, на наш взгляд, конструкция пылеулавливающей системы с двумя рукавами (рис. 3). Пылевой вентилятор № 3,15 с электродвигателем мощностью 2,2 кВт, 3 000 об./мин, помещается в средней части корпуса и имеет два выходных патрубка – по одному на каждую стойку, конструкция каждой из которых идентична представленной на рис. 2. Входной патрубок вентилятора может располагаться как снизу, так и сверху, что связано с удобством подключения аспирационных шлангов от станков.

Рисунок 3. Пылеулавливающая система с двумя рукавами

Количество входных патрубков, а следовательно, и подсоединяемых шлангов к ПУС может быть от одного до трех с варьированием диаметров от 200 до 100 мм. Разные производители указывают различные диаметры – это зависит от характеристики P_V – L используемого вентилятора. Крайне неправильно ориентироваться на диаметр патрубков местных отсосов деревообрабатывающих станков. Они часто рассчитаны на централизованную аспирацию, а местная ПУС при таких диаметрах шлангов может не обеспечить требуемого разрежения и расхода воздуха.

Эксперименты по оптимизации конструкции вентилятора ПУС, в частности, при варьировании зазора между рабочим колесом и «языками» у выходных патрубков, показали: при уменьшении зазора улучшалась индивидуальная характеристика, но увеличивался и уровень шума, становясь сильнее, чем у обслуживаемых станков, и выше допустимого по действующим нормативам. Нами проведены аэродинамические испытания ПУС по ГОСТ 10921-90 для вентиляторов.

Отличие заключается в том, что определяется не полное давление, создаваемое вентилятором (сумма полных давлений на линии всасывания и нагнетания), а только полное давление (разрежение) на линии всасывания – P_VR, что следует из схемы ПУС.

При испытаниях выявилось очень важное обстоятельство: характеристики пылеуловителя (P_VR – L) без шлангов и со шлангами различны. Это нельзя объяснить только изменившейся характеристикой сети. Происходит также скачкообразное перераспределение полного давления вентилятора между всасывающей и нагнетательной составляющей. Постоянное перераспределение давлений происходит и при снятии характеристик P_VR – L. Отсюда следует важный вывод: характеристика пылеуловителя P_VR – L должна быть представлена совместно с подсоединенными шлангами рекомендуемой длины (рис. 4).

Рисунок 4. Характеристики ПУС с подсоединeнными шлангами длиной 3 м: 1, 2 – один и два входа диаметром 125 мм; 3, 4 – один и два входа диаметром 140 мм; 5 – один вход диаметром 200 мм

Поэтому мы говорим о пылеулавливающей системе ПУС, состоящей из вентилятора, циклонного элемента, фильтра и присоединяемых шлангов. В каталогах и рекламных материалах фирм часто вообще отсутствует характеристика P_VR – L, а показывается по одному максимальному значению P_VR и L, что явно недостаточно. Иногда вместо полного разрежения P_VR указывают статическое PSR, что создает видимость хорошей характеристики.

На рис. 4 сплошной линией показана часть характеристик, при которых обеспечивается скорость транспортирования 17–21 м/с. Видно, что лучшая характеристика для ПУС с одним входом диаметром 200 мм; два входа диаметром 140 мм эффективней двух входов с диаметром 125 мм. Интересно, что если перекрыть один из двух входов диаметром 125 или 140 мм, то значения P_VR и L увеличатся лишь на 10–20 %.

На практике можно рекомендовать для двух местных отсосов, работающих последовательно, установить тройник, два шибера и использовать шланги Ф 200 мм.

При подборе ПУС для конкретного станка или местного отсоса достаточно нанести расчетную точку с заданными значениями L и P_VR на поле графика (рис. 4) и выбрать ближайшую вышележащую характеристику. Для местных отсосов, имеющих коэффициент местного сопротивления больше единицы x > 1, к заданному P_VR следует прибавить:

DR = (x – 1) • rn² / 2,

где r – плотность воздуха, кг/м³, для стандартных условий равна 1,2;

n – скорость воздуха в приемном патрубке местного отсоса. Сопротивление ПУС при x ≤ 1 уже учтено в характеристике при испытаниях.

Эффективность ПУС может быть занижена на 20 % и более при неудачной конструкции входа в вентилятор. Обязательно наличие прямого участка, желательно два и более калибра. Например, в одном из стружкоотсосов производства Болгарии он близок к 1 м при верхнем входе. Два патрубка желательно объединять штанообразным тройником.

Удобство использования ПУС с двумя фильтрами выражается и в том, что ее характеристики соответствуют паспортным данным требуемого объема отсасываемого воздуха от большинства видов деревообрабатывающих станков [1].

Одной из решающих причин распространения ПУС явилась ее дешевизна. Стоимость ПУС без шлангов равна 12 900 руб. Две ПУС по производительности заменяют циклон УЦ-1 100 и пылевой вентилятор № 5, стоимость которых без воздуховодов, но с бункером для отходов и постаментом превышает 100 000 руб.

Таким образом, применение ПУС обойдется в четыре раза дешевле. Это не считая экономии электроэнергии 3–6 кВт • ч и более, в зависимости от мощности электродвигателя пылевого вентилятора.

Недостатки промышленных фильтров

Главный из них, наряду с ручной регенерацией, это частая смена сборных мешков при значительном количестве образующихся отходов, что ограничивает область применения ПУС с двумя фильтрами. Конструкция в целом оказалась настолько удачной, что ведущие производители, «Консар» и «Эковент», выпускают и с успехом реализуют стружкоотсосы с 3–8 фильтрами и таким же количеством нижних сборных мешков. Следующий шаг – объединение нижних мешков в один бункер для отходов. В рамках данной статьи не рассматриваются фильтры в корпусе с автоматической регенерацией, обратной и струйной продувкой. Они, естественно, лучше, но требуют совсем других денег. При использовании фильтров с выпуском очищенного воздуха в обслуживаемое помещение, т. е. со 100 % рециркуляцией, для достижения ПДК воздуха рабочей зоны следует устраивать общеобменную приточно-вытяжную вентиляцию. Воздухообмен будет зависеть, в первую очередь, от полноты улавливания выделяющейся пыли местными отсосами деревообрабатывающего оборудования.

Ничто не мешает использовать ПУС для других видов пыли. При небольшой конструктивной доработке и замене фильтровальной ткани стало возможным улавливание абразивной пыли от заточных, шлифовальных и других станков. Они сразу же составили конкуренцию выпускающимся с советских времен аппаратам ЗИЛ-900М, ПА-212 и ПА-218. Нашей компанией внедрены ПУС во взрывозащищенном исполнении для улавливания сахарной пудры при производстве кондитерских изделий. Успешно работают ПУС при аспирации рабочих мест порошковой окраски изделий. Одной ПУС достаточно для удовлетворительного обслуживания двух полировальных станков с двумя войлочными кругами Ф 500 мм каждый, т. е. с четырьмя входными патрубками Ф 127 мм. Имеются и другие примеры использования ПУС. В настоящее время ведется работа по разработке ПУС для улавливания растительной пыли, выделяющейся при производстве комбикормов и др. Имеется и отрицательный опыт внедрения ПУС, а именно при улавливании пыли, образующейся в процессе фигурной резки кирпича для каминов. По технологическим требованиям смачивание при резке запрещается. Уже через 15–20 мин ткань забивается мелкодисперсной пылью. Регенерация встряхиванием рукавов не дает требуемого эффекта.

Заключение

Представленный малогабаритный пылеуловитель эффективно применяется для улавливания древесной пыли, экономичен, дешев, прост в эксплуатации, позволяет экономить тепловую энергию; может быть рекомендован для улавливания других видов пыли при правильном подборе марки и площади поверхности фильтровального материала.

Литература

1. Богословский В. Н., Пирумов А. И., Посохин В. Н. и др.; под ред. Павлова Н. Н. и Шиллера Ю. И. Внутренние санитарно-технические устройства. Ч. 3: в 3 ч. // Кн. 1: Вентиляция и кондиционирование воздуха. М.: Стройиздат, 1992.

2. Экотехника. Защита атмосферного воздуха от выбросов пыли, аэрозолей и туманов / Под ред. Чекалова Л. В. Ярославль: Русь, 2004.

3. Мазус М. Г., Мальгин А. Д., Моргулис М. А. Фильтры для улавливания промышленных пылей. М.: Машиностроение, 1985.