ZESZYTY NAUKOWE POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ S e r i a : INŻYNIERIA SANITARNA z . 15
________ 1970 Nr k o l . 277
S t a n i s ł a w M i e r z w i ń s k i , T e r e s a M a ty ja, Wacław Nawrocki
BADANIA OKAPU DLA GAZÓW ODLOTOWYCH PIECÓW NEW JERSEY
1 . Wprowadzenie
Jedną z metod otrzymywania cynku o wysokim s t o p n i u c z y s t o ś c i j e s t r e k t y f i k a c j a c i ą g ł a (metoda New J e r s e y ) . W m e to d z ie t e j w y k o r z y s t u je s i ę r ó ż n i c e tem peratur parowania cynku i z n a j d u ją c y c h s i ę w nim d o m ie s z e k , g łó w n ie o ł o w i u , kadmu i ż e l a z a . Głównym produktem p r o c e s u j e s t cynk c z y s t y (99,995% c z y s t o ś c i ) . Ponadto w wyniku p r o c e s u otrzym uje s i ę cynk r a f i n o wany, ołów cynkowy, s t o p cynkowo-kadmowy oraz p y ły kadmowe i p o p i o ł y cy n k o n o śn e.
W o b r ę b ie układu do r e k t y f i k a c j i , k t ó r e g o głównymi elem en
tami s ą kolumny r e k t y f i k a c y j n e kadmu i o ł o w i u , p od czas p r o c e s u tw orzą s i ę z a n i e c z y s z c z e n i a w fo rm ie t z w . zgarów, k t ó r e u t r u d n i a j ą normalny p r z e b i e g r o z d z i a ł u sk ład n ik ów cynku s u r o wego oraz powodują w z r o s t s t r a t e n e r g e t y c z n y c h . Usuwanie ic h z układu przeprowadza s i ę okresowo prze? p r z e w id z ia n e do t e go otwory w y c z y s t n e . P r o c e s o w i c z y s z c z e n i a to w a r z y sz y wypływ s t r u g i par m e t a l i , k t ó r y spowodowany j e s t n a d c i ś n ie n i e m pa
nującym w kolumnach. Otwory w y c z y stn e s ą ź r ó d ła m i z a p y l e n i a ( t a b l i c a 1 ) , gdyż w ypływ ająca s t r u g a par z c h w i l ą z e t k n i ę c i a s i ę z a t m o s f e r ą gw ałtow n ie k o n d e n s u je . Wynikiem k o n d e n s a c j i j e s t duże z a p y l e n i e h a l i r e k t y f i k a c j i tle n k a m i cynku, kadmu i o ł o w i u . T l e n k i t e w y s t ę p u j ą w p o s t a c i drobnych pyłów konden
s a c y j n y c h .
F iz y k o c h e m icz n e w ł a e n o ś c i ty c h pyłów s ta n o w ią poważne n i e b e z p i e c z e ń s t w o d l a z d r o w ia . Są one p r z yczyn ą z a t r u ć oraz po
wodują k a d m icę , chorobę zawodową.
Poprawę warunków m ik ro k lim a tu h a l i można uzyskać pr z e z za
s t o s o w a n i e odciągów m ie j s c o w y c h , k t ó r e ujmowałyby i odprowa
d z a ł y a e r o z o l p o w s t a ł y p od czas c z y s z c z e n i a . Poprawne r o z w ią
134 S. M ie rz w iń s k i, T. M a ty ja , W, N aw rocki z a n ie t e g o z a g a d n ie n i a w o p a r c i u t y l k o o o b l i c z e n i a j e s t r z e c z ą b a r d z o t r u d n ą . W c e l u o k r e ś l e n i a danych d o św iad cza ln y ch k o n ie czn y ch d l a poprawnego r o z w i ą z a n i a u j ę c i a gazów, wykonano i n s t a l a c j ę d o ś w ia d c z a ln ą w j e d n e j z h u t cynku, a ponadto p rze
prowadzono b a d a n i a modelowe.
T a b l i c a 1 Ź r ó d ła p y l e n i a i i c h p a ra m e try
Ź ró d ło p y l e n i a
Okres c z y s z c z e n i a
Czas c z y s z c z e n i a
[min]
S k ła d uchodzą
cych gazów
Tempera- bura ga
zów
P d
Otwory w y c z y s t- n e k o n d e n s a to
rów kadmu co 20 d n i 5 - 1 5 0 , 5 » Cd 99,5% Zn 900-910
S k r z y n k i nadaw
cze kolumn kad
mu co
3
d n i 5 - 1 0 0,2% Cd 99,8% Zn 916S k r z y n k i nadaw
cze kolumn o ło
wiu co 2 d n i 5 - 1 0 10-20% Cd 80-90% Zn 916
Otwory w y c z y s t- ne i w z i e r n i k i pieców t o p i e l -
nych co 24 h 10 0,2% Cd 99,8% Zn 700
2 . B ad an ia i n a t a l a c . l i odoiagowe.i w h u c ie c^nku
Pom iary prowadzone na i n s t a l a c j i d o ś w i a d c z a ln e j m ia ły na c e l u d o s t a r c z e n i e n a s t ę p u j ą c y c h danych: - i l o ś ć o dciąganego a e r o z o l u k o n ie c z n a d l a s k u te c z n e g o d z i a ł a n i a okapu, - tem pera
t u r a o d ciąg aneg o a e r o z o l u , - c h a r a k t e r y s t y k a p y ł u .
P o nad to i n s t a l a c j a t a m i a ł a za za d a n ie d o s t a r c z e n i e danych porównawczych d l a b ad ań modelowych.
Schemat i n s t a l a c j i d o ś w i a d c z a ln e j pokazano na r y s . 1 . W, s k ł a d i n s t a l a c j i w c h o d z ił: o kap, c y k lo n , w e n t y l a t o r o ra z r u -
B ad an ia okapu d l a gazów o d lo to w y c h .. 135
r o c i ą g i i zasuwy. Okap zabudowano nad otworem wyczystnym ko
lumny kadmu, k t ó r y w c z a s i e c z y s z c z e n ia s ta n o w i ź r ó d ł o n a j w ię k s z e j i l o ś c i gazów i powoduje n a jw ię k s z e z a p y l e n ie h a l i . W i n s t a l a c j i zasto so w an o c y k lo n ja k o n a j p r o s t s z y d o stęp n y odpy- l a c z . W t r a k c i e b ad ań sprawdzono je g o p r z y d a t n o ś ć do wychwy
ty w a n ia pyłów t l e n k u cynku.
B y s . 1 . Schemat i n s t a l a c j i d o ś w ia d c z a ln e j
1 - otwór w y czy stn y , 2 - okap, 3 - r u r u o c i ą g i , 4 - c y k lo n , 5 - zasuwy, 6 - w e n t y l a t o r , A,B,C - pu n kty pomiarowe
T a b l i c a 2 Ś r e d n i s k ł a d ziarnow y p y łu t l e n k u cynku
Wymiar z i a r e n p$ j d
P r z e d z i a ł p r ę d k o ś c i o p a d a n ia Up . 102 [m/s]
U d z ia ł k la s y zia rn o w e j
M [%]
0 - 5 0 ,381 5 5 ,1 3
5-10 0 ,3 8 1 - 1 ,5 2 7 35,91
10-20 1,5 2 7 - 6 ,1 0 8 5 ,0 3
20-30 6 ,1 0 8 - 1 3 ,7 4 1,6 7
3 0 -4 0 1 3 ,7 4 - 2 4 ,4 0 0 ,9 9
4 0 -5 0 2 4 ,4 0 - 3 8 ,1 8 0 ,6 3
> 5 0 > 3 8 , 1 8 0 ,6 3
136 S . M ie rz w iń s k i, T. M a ty ja , W. Nawrocki W wyniku przeprow adzonych b adań s t w i e r d z o n o , że głównym s k ła d n i k ie m p y łu s ą t l e n k i cynku (ZnO) o g ę s t o ś c i w g r a n ic a c h ( 5 , 1 * 5 . 3 5 ) . 10* kg/nr5 p rzy d u ż e j z a w a r t o ś c i f r a k c j i drobnych ( z i a r n a 0*5 pm - 55.13*» t a b l i c a 2 ) . P y ł t e n c h a r a k t e r y z u j e s i ę dużą z d o l n o ś c i ą do z b i j a n i a i n i e t r w a ł ą p r z y c z e p n o ś c ią do metalowych ś c i a n e k przewodu.
V z a k r e s i e w y d a jn o ś c i i n s t a l a c j i odciągow ej uzyskane wyni
k i n ie b yły k o n k r e t n e . Obserwując s k u te c z n o ś ć d z i a ł a n i a o d c ią gu można b y ło z o rie n to w a ć s i ę co do p o trz e b n y c h zmian w k s z t a ł c i e wykonanego okapu j a k rów n ież przew idyw ać, że p o tr z e b n a wy
d a j n o ś ć o d c ią g u powinna być zw iększona o o k o ło 50*. P r z e p r o wadzenie odpowiednich zmian w i n s t a l a c j i na t e r e n i e h u ty b y ł o , p o łą czo n e z dużymi t r u d n o ś c i a m i . Z ło ż y ło s i ę na t o zarówno b r a k w e n t y l a t o r a o w ię k s z e j w y d a jn o ś c i, j a k i znaczne k o s z ty przebudowy i n s t a l a c j i i wykonanie innych w ariantów o k ap u .D al
s z ą t r u d n o ś c i ą w prow adzeniu b adań b y ło okresowe i k r ó tk o t r w a ł e c z y s z c z e n ie otworów w y czystn y ch . N iem niej uzyskane w yniki p o z w o liły na z a p ro je k to w a n ie odpowiedniego s ta n o w is k a do ba
dań modelowych o raz p rzep ro w ad ze n ie na nim d a l s z e g o c ią g u ba
d ań .
3. Modelowe b a d a n ia okapu
Celem b adań modelowych b y ło d o b r a n ie w i e l k o ś c i i k s z t a ł t u okapu t a k , aby c a łk o w ic ie ujmował wypływającą s t r u g ę o raz o - k r e ś l e n i e n ie z b ę d n e j i l o ś c i o d ciągan eg o p o w i e t r z a .
W b a d a n ia c h modelowych modelowanym zjaw isk iem b y ło zacho
wanie s i ę w o b r ę b ie d z i a ł a n i a okapu s t r u g i g o rący ch p ar meta
l i po w y jś c iu z otworu w yczystnego kolumny kadmu. Wypływ sp o wodowany j e s t n a d c iś n ie n ie m w k o lu m n ie , k t ó r e może d ochodzić do 98 N/m (10 mm i ^ O ) . Wypływające pary z c h w ilą z e t k n i ę c i a s i ę z a t m o s f e r ą h a l i gwałtownie k o n d e n s u ją .
P r z y j ę t o , że z jaw isk o o p i s u j e f u n k c ja f i z y c z n a
w ,l ) = 0
B ad an ia okapu d la gazów o d lo to w y c h .. 137 g d z i e :
Q- g ę s t o ś ć wypływających p a r cynku, kg/m^
Aq - r ó ż n i c a g ę s t o ś c i p o w ie t r z a o t a c z a j ą c e g o kolumnę i p a r cynku w w yp ły w ającej s t r u d z e , kg/m ^,
g - p r z y s p i e s z e n i e z i e m s k i e , m /s , ó
w - p r ę d k o ś ć wypływających p a r cynku, m / s , 1 - c h a r a k t e r y s t y c z n y wymiar o tw o ru , m,
p - w sp ó łc z y n n ik l e p k o ś c i dyn am iczn ej p a r cynku, Ns/m . p P rz y o k r e ś l a n i u f u n k c j i zało ż o n o że:
- s t r u g a z a w ie r a t y l k o p ary cynku C 9 9 *5% Zn)
- p rę d k o ś ć wypływu s t r u g i można o k r e ś l i ć w p r z y b l i ż e n i u na pod
s t a w i e z n a jo m o ści c i ś n i e n i a p a n u ją c e g o w k o lu m n ie . P o m in ię to n a t o m i a s t :
- wpływ ruchów p o w ie t r z a w o b r ę b ie h a l i na wypływ ającą s t r u g ę , - z ja w is k o k o n d e n s a c j i p a r cynku tr u d n e do r e a l i z a c j i w wa
ru n k a c h l a b o r a t o r y j n y c h , a n i e mające z a s a d n i c z e g o wpływu na k s z t a ł t w y p ły w ającej s t r u g i ,
- powstawanie dodatkowych ź r ó d e ł p y l e n i a ze zgarów wyrzuca
nych p odczas c z y s z c z e n i a na p o d e s t .
P r z y jm u ją c w i e l k o ś c i podstawowe: q , g , 1 o ra z s t o s u j ą c t w i e r d z e n i a a n a l i z y wymiarowej u s t a l o n o p o t r z e b ę zachowania p o d o b ie ń stw a geom etrycznego o ra z ró w n o śc i l i c z b k r y t e r i a l n y c h Archim edesa i R e y n o ld s a .
P r z y j ę t o p o n a d t o , że z ja w isk o wypływu [2, 3] w z a k r e s i e r u chu b u r z li w e g o j e s t zja w isk ie m samomodelującym, t z n . o b raz wy
p ły w a j ą c e j s t r u g i n i e z a l e ż y od w a r t o ś c i l i c z b y R e . D la uzy
s k a n i a p o d o b ie ń stw a w y sta rc z y aby w n a t u r z e i w modelu zacho
wać warunek Re?> Re k r y t .
P rz y jm u ją c s k a l e : p r z y s p i e s z e ń Sg= 1 , w i e l k o ś c i lin io w y c h S1 = 0 , 2 i g ę s t o ś c i Sę = 1 ,0 5 6 otrzym ano n a s t ę p u j ą c e po
z o s t a ł e s k a l e :
- s k a l a p r ę d k o ś c i = \js^ . = 0 ,4 4 7
- s k a l a r ó ż n i c y c i ś n i e ń Sap = . S Q= 0,2 1 1 2 - s k a l a w y d a jn o ś c i S^. = = 0 ,0 1 7 9 .
R y s . 2 . S t a n o w i s k o b a d a ń modelowych
1 - m o del k o lu m n y , 2 - b a d a n y okap z r u r o c i ą g i e m , 3 - g r z e j n i k i , 4 - dmuchawa, 5 - s s a wa, 6 - g a z o m ie rz z o s p rz ę te m (U - r u r k a , te r m o m e tr , r o t a m e t r ) , 7 - m ikromanom etr do p o m ia r u c i ś n i e n i a s t a t y c z n e g o w k o l u m n i e , 8 - r u r k a P r a n d t l a , 9 - m ikro m an om etr do r u r k i P r a n d t l a , 10 - t e r m o m e t r y , 11 - d o p r o w a d z e n i e c z y n n i k a z a b a r w i a j ą c e g o s t r u g ę
138S. Mierzwiński,T. Matyja, W. Nawrocki
B a d a n i a o k a p u d l a gazów o d l o t o w y c h , , . . 139
E y s , 3 . O b raz s t r u g i sw o b o d n ie w y p ł y w a j ą c e j p r z y n a d c i ś n i e n i u w k o lu m n ie 9 8 , 1 N/m^
R y s . 4 . Obraz s t r u g i sw o b o d n ie w y p ł y w a j ą c e j p r z y n a d c i ś n i e n i u w k o lu m n ie 74- N/m£'
/
140 S . M i e r z w i ń s k i , T. M a t y j a , W. N aw rocki
R y s . 5 . D z i a ł a n i e okapu nx 2 p r z y o d s y s a n i u 1 , 4 m ^/s i n a d c i ś n i e n i u 9 8 , 1 N/m^
R y s . 6 . D z i a ł a n i e okapu n r 3 p r z y o d s y s a n i u 1 , 8 m ^/s i n a d - c i ś n i e n i u 9 8 , 1 N/m .p
N,'1 Nr 2 Nr 3
R y s . 7. K s z t a ł t y i wymiary p r z e b a d a n y c h okapów
Badania okapudlagazówodlotowych...
142 S . M i e r z w i ń s k i , T . M a t y j a , W. N aw rocki W wyniku badań modelowych, k t ó r e przeprowadzono na s t a n o w isk u ( r y s . 2) otrzymano s z e r e g obrazów s t r u g swobodnie wy
p ły w a ją c y c h przy ró żny ch n a d c i ś n i e n i a c h panujących w kolumnie oraz obrazy s t r u g poddanych d z i a ł a n i u okapów o różny ch k s z t a ł ta ch i wymiarach przy różnych i l o ś c i a c h o d c ią g a n e g o p o w ie t r z a . P r z y k ła d y obrazów s t r u g bez okapu i z okapami p r z e d s ta w io n o na r y s . 3» 4» 5 , 6 . Ponadto s t w i e r d z o n o , że n a j b a r d z i e j odpo
w ie d n i k s z t a ł t i wymiary s p o ś r ó d przebadanych okapów ( r y s . 7) p o s i a d a okap nr 3 . Okap t e n ujmuje c a ł k o w i c i e wypływającą stru- gę przy n a d c i ś n i e n i u w kolumnie 9 8 ,1 N/m 2 przy ś r e d n i e j pręd
k o ś c i w p ł a s z c z y ź n i e s s a n i a okapu w yn oszącej o k o ło 1 m /s . War
t o n a d m ie n ić , że okap nr 1 na r y s . 7 b y ł badany w h u c ie i na s ta n o w is k u modelowym.
Obserwowane w modelu obrazy s t r u g ( k s z t a ł t i z a s i ę g ) swo
b o d n ie wypływających przy różnych n a d c i ś n i e n i a c h odpowiadały obrazem a n a l o g ic z n y c h s t r u g obserwowanym p odczas c r .y sz c z e n ia badanego otworu w y c z y s tn e g o .
4 . Wnioski
Przeprowadzone badan ia d l a s t r u m i e n i wypływających poziomo p o z w a la j ą s t w i e r d z i ć , że d l a s k u t e c z n e g o ic h u j ę c i a n a l e ż y : - okap p o c h y l i ć jak d a l e c e t o j e s t możliwe w k ieru nku wypły
w a j ą c e j s t r u g i ,
- r u r o c i ą g o d s y s a j ą c y p r z y łą c z a ć do okapu m o ż liw ie n a j b l i ż e j m i e j s c a g d z ie oś s t r u m i e n i a wchodzi pod okap,
- ś r e d n i ą prędkość w p ł a s z c z y ź n i e s s a n i a okapu utrzymywać po
wyżej 1 , 2 m /s .
5 . LITERATURA
[ i ] Chedkow ski S z . - M e t a l u r g i a m e t a l i n i e ż e l a z n y c h , Wyd: Górn.
- H u t n . - K ato w ice 1 96 2 .
[2j M u l l e r L. - T e o r i a p o d o b i e ń s t w a m e c h a n ic z n e g o : WNT W-wa 1 96 1 .
[3] B a t u r i n W.W. E l t e r m a n : A e r a c j a p r o m y s z le n n y c h z a d a n i j : G o s . I z d . po S t r o i t . A rc h . i S t r o i t . M a t. - Moskwa 1963«
B a d a n ia okapu d l a gazów o d l o t o w y c h . . 143 S t r e s z c z e n i e
Dobór r o z w i ą z a n i a o d c i ą g u m ie js c o w e g o d l a gazów o d lo to w y c h p iec ó w New J e r s e y d l a r e k t y f i k a c j i cynk u w o p a r c i u t y l k o o o b l i c z e n i a j e s t t r u d n y i m ało d o k ł a d n y . W c e l u u z y s k a n i a d a n ych d l a k o n s t r u k c j i o d c i ą g u g a z u p rz e p r o w a d z o n o b a d a n i a na i n s t a l a c j i d o ś w i a d c z a l n e j w j e d n e j z h u t cynku o r a z u z u p e ł n i a j ą c e b a d a n i a m odelow e. Podano o g ó ln e z a s a d y d o b o r u k s z t a ł t u okapów d l a s t r u g w y p ły w a ją c y c h poziomo z otworów w y c z y s tn y c h p i e c ó w .
kSy^EHME 4>0PMl1 30HTA flJIH BPEflHiX TA30B OTXüfliiUhX
K3 ÜE4EU
P e 3 ¡o m e
no*6o p pemeHHH Mec t h o r o oTCoca otxoxh4HX ra30B neveií Hjd- flacepceił (.hjih peJCTinjpHKauHH uHHKa) o n a p a s c b TOJibKo Ha p acaeT e - 3aTpysHHTeJibHhiii u Mano ToaHbiit. HToÓbi noJiyqHTb xaHHbie r h h k o h - CTpyKUHH OTCoca ra30B BhinoJiHeHo HCCJieflOBaHHH b aiccnepHMeHTanb- hoM ycTBHOBKe Ha MeTajiypruwecKOM 33B0fle, a 3aTeM aonoJiHHTeJib- Hue MoseabHue b jraóopaTopnn. rio^aHo oómne ochobu n o x ó o p a $ o p - Mbi 30HTa r j i h CTpyü BbiTeKan4iuc ropH30HTajibHo h 3 n e v e n .
INVESTIGATION OF THE HOOD SHAPES FOR THE EXIT GASES FROM NEW JERSEY FURNACES
S u m m a r y
The s e l e c t i o n o f t h e s o l u t i o n o f l o c a l p u l l - o f f f o r t h e e x i t g a s e s fro m New J e r s e y f u r n a c e s f o r z i n c r e c t i f i c a t i o n b a s e d on t h e c a l c u l a t i o n s o n l y i s d i f f i c u l t and n o t e x a c t enough.
I n o r d e r t o o b t a i n d a t a f o r t h e c o n s t r u c t i o n o f t h e g a s e x - h a u s t o r , i n v e s t i g a t i o n s and co m p le m e n tary model t e s t s have
144 S . M ie rz w iń s k i, T. M a ty ja , W. Nawrocki
b e e n c a r r i e d o u t on an e x p e r i m e n t a l i n s t a l l a t i o n i n one o f th e z i n c m i l l s . G e n e r a l p r i n c i p l e s a r e g i v e n f o r t h e s e l e c t i o n o f t h e s h a p e o f fume hoods f o r s t r e a m s f l o w i n g o u t h o r i z o n t a l l y fro m t h e c l e a n i n g h o l e s o f t h e f u r n a c e s .
