Содержание к диссертации
Введение
1 АНАЛИЗ ФАКТОРОВ, ВЛИЯЮЩИХ НА СОДЕРЖАНИЕ ПЫЛИ В АТМОСФЕРЕ ПРОМЫШЛЕННОГО ГОРОДА 8
1.1 Атмосфера промышленного города - экосистемы человека 8
1.2 Параметры, характеризующие воздух природно- техногенных систем 10
1.3 Предприятия пищевой промышленности как источники пылевых выбросов в атмосферу города 17
1.4 Санитарно-гигиеническая характеристика пыли органической 22
1.5 Основные направления улучшения качества воздушной среды за счет совершенствования технических средств производства 28
1.6 Выводы по первой главе 30
2 ХАРАКТЕРИСТИКА ВЫБРОСОВ ПРИМЕСЕЙ В ВОЗДУШНУЮ СРЕДУ ГОРОДА ОРЕНБУРГА 33
2.1 Методический подход к оценке экологической опасности выбросов примесей предприятия 33
2.2 Характеристика воздушной среды и климатических условий г. Оренбурга 37
2.3 Характеристика техногенной среды города Оренбурга... 41
2.4 Оценка выбросов примесей на предприятиях зернопереработки 52
2.5 Выводы по второй главе 58
3 ПОИСК ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ, ОТВЕЧАЮЩИХ ЗА ЗНАЧИМЫЕ ВЫБРОСЫ ПРИМЕСЕЙ, ОПРЕДЕЛЕННЫЕ ПО ИХ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ОПАСНОСТИ 59
3.1 Методический подход к комплексной оценке качества атмосферы вокруг площадного источника выбросов примесей 59
3.2 Оценка рассеивания пыли органического происхождения в атмосфере прилегающих территорий 62
3.3 Поиск приоритетных источников выбросов пыли на площадном источнике, включающем предприятия зернопереработки 74
3.4 Выводы по третьей главе 80
4 РАЗРАБОТКА ТЕХНИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СПОСОБОВ УПРАВЛЕНИЯ ВЫБРОСАМИ ПЫЛИ В АТМОСФЕРУ ОРЕНБУРГА 82
4.1 Направления совершенствования процесса экструдирования отходов зерноперерабатывающего производства 82
4.2 Математическая модель процесса экструдирования пылевидных отходов 88
4.3 Обоснование конструктивных параметров компрессионного затвора... 102
4.4 Методика проведения экспериментальных исследований 105
4.5 Поиск оптимальных режимов процесса экструдирования 114
4.6 Природоохранный эффект от применения усовершенствованных технических средств в переработке отходов зерноперерабатывающего производства 115
4.7 Выводы по четвертой главе 117
ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ 119
Список использованных источников 120
Приложения 132
- Параметры, характеризующие воздух природно- техногенных систем
- Методический подход к оценке экологической опасности выбросов примесей предприятия
- Методический подход к комплексной оценке качества атмосферы вокруг площадного источника выбросов примесей
Введение к работе
Актуальность работы В связи с. приоритетным развитием городского промышленного сектора за последние десятилетия резко ухудшилось экологическое состояние воздушного бассейна городских застроек. Это произошло из-за увеличения выбросов мелкодисперсных взвесей в воздушную среду, источниками которых являются процессы измельчения, перемешивания, транспортирования, загрузки различного рода материалов, происходящие на промышленных предприятиях. Предприятия пищевой и перерабатывающей промышленности (в Российской Федерации их насчитывается свыше 18 тысяч) не являются исключением и выступают источниками выбросов пыли органического происхождения в атмосферу прилегающих территорий.
Отличительной особенностью пищевой промышленности является относительно высокий уровень образования побочных продуктов и отходов производства с единицы исходного сырья. Миллионы тонн этих потенциально ценных в кормовом отношении ресурсов ежегодно теряются либо из-за недостаточно совершенных способов превращения этих продуктов в экономически выгодные корма для животных, либо из-за сложности внедрения уже известных способов.
Отгрузка и транспортировка кормового сырья в наиболее распространенном рассыпном виде приводит к пылеобразованию, к потере сырья вследствие механического распыла, а также ухудшению экологической обстановки прилегающих территорий и созданию взрывоопасных ситуаций. Антропогенная нагрузка на атмосферу увеличивается, расходы на ее защиту неуклонно возрастают, что выдвигает на первый план требование о максимальной эффективности и экологической безопасности внедряемых
5 технологий. От успеха решения этой задачи, в конечном счете, зависят перспективы развития не только отдельных регионов, но и целых стран.
Диссертация выполнена в рамках проектов "Технологические перспективы Оренбуржья" (управление качеством окружающей среды № ГР 01990003770) и "Комплексная оценка качества атмосферы Оренбургской области" (№ ГР 01980009155).
Целью диссертационной работы является снижение пылевыделения на зерноперерабатывающем производстве путем экструдирования тонко измельченных отходов.
Для реализации поставленной цели решались следующие задачи: провести оценку источников выбросов пыли и газа и определить вклад предприятий зернопереработки в формирование качества атмосферы; оценить степень влияния предприятий зернопереработки и их структурных подразделений на качество атмосферы прилегающих территорий; разработать методологию, обеспечивающую уменьшение экологической опасности выбросов пыли зерноперерабатывающего производства; провести совершенствование оборудования (пресс - экструдера) с целью повышения его экологических и ресурсосберегающих характеристик; исследовать экологический эффект от внедрения технологии, включающей усовершенствованный пресс - экструдер.
Идея работы заключается в совершенствовании технического оснащения источников пылеобразования на предприятиях зернопереработки.
Объектом исследования являются зерноперерабатывающие производства как источники пылеобразования и пылевыделения.
Предметом исследования является переработка тонкоизмельченных отходов методом экструзии.
Методы исследования: моделирование промышленного города - источника выбросов примесей в атмосферу; комплексная оценка качества атмосферы промышленного города; выбор приоритетных примесей в атмосфере города; выбор приоритетных источников выбросов этих примесей; экспериментальная часть выполнена на основе оптимального планирования экстремального эксперимента с использованием современного математического аппарата.
Научная новизна работы и ее значимость состоят в том, что: выполнена оценка и ранжирование экологической опасности выбросов пыли и газа на предприятиях зернопереработки и установлено существенное превышение концентрации пыли над ПДК в атмосфере прилегающих территорий; впервые разработана и предложена к внедрению методология утилизации пылевидных отходов предприятий зернопереработки, заключающаяся в экструзионном переводе их из дисперсной структуры в гранулированную; вьіполнєегьі комплексные исследования пропускной способности экструдера и получены эколого-экономические параметры, позволяющие минимизировать энергозатраты при заданной производительности.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций работы подтверждается: теоретическими и экспериментальными исследованиями по оценке и управлению выбросами пыли от предприятий зернопереработки в атмосферный воздух прилегающих к ним территорий; совпадением результатов теоретических исследований с результатами наблюдений и экспериментов, проведенных в рамках темы диссертационной работы.
7 Практическая ценность работы заключается в следующем: проведена оценка запыленности атмосферы урбанизированной территории, прилегающей к мощному площадному источнику в центре города Оренбурга, результаты которой использовались администрацией Оренбургской области при подготовке Закона (№ 2531 от 17 августа 2005 г.) "Об охране окружающей среды" и Закона (№ 2526 от 17 августа 2005 г.) "Об областной программе "Оздоровление экологической обстановки Оренбургской области в 2005 - 2010 годах"; разработан и предложен к внедрению эффективный пресс-экстру дер с измененными исполнительными элементами рабочего органа, который при переработке тонкоизмельченных отходов позволяет исключить пылеобразование в процессе отгрузки и транспортировки кормосмеси; оригинальность концепции разработанного пресс-экстру дера подтверждена решением о выдаче патента на изобретение от 29.03.2005 г. по заявке № 2004115166/12(016361) и решением о выдаче патента на изобретение от 27.04.2005 г. по заявке № 2004115167/12(016362); результаты исследований по оценке экологической опасности выбросов примесей в атмосферу использованы в учебном процессе.
Объем и структура диссертационной работы. Диссертация изложена на 144 страницах машинописного текста и включает введение, четыре главы, заключение, выводы и приложение. Указатель литературы содержит 140 источников литературы. Текст иллюстрирован таблицами и рисунками.
Диссертационная работа выполнена на кафедре экологии и природопользования Оренбургского государственного университета.
Консультации по проведению экологического мониторинга атмосферы промышленного города были получены у д.м.н. Куксанова В.Ф.
Разработка эффективного пресс-экструдера с измененными исполнительными элементами рабочего органа осуществлена автором совместно с д.т.н., профессором Ковриковым И.Т. Автор приносит благодарность всем за помощь при постановке и проведении исследований.
Параметры, характеризующие воздух природно- техногенных систем
В настоящее время наиболее остро проблема загрязнения атмосферы наблюдается на урбанизированных территориях, так как для большинства городов характерна высокая концентрация населения и промышленных предприятий на малых площадях. Всё это, в совокупности с плохой продуваемостью территории городов, приводит к резкому ухудшенюо качества атмосферного воздуха.
Преднамеренный выброс различных веществ в атмосферу является, наиболее очевидным нарушением равновесия в окружающей среде, производимым человеком. Атмосферное загрязнение во всех развитых странах очень сильно возросло в последние десятилетия. Это результат воздействия многочисленных факторов, характерных для современной цивилизации: роста производства энергии, увеличения числа транспортных единиц, сжигания многих тонн отходов и т.д. [1].
Анализ работ [2, 3, 4, 5], посвященных изучению атмосферы и загрязняющих ее веществ, позволяет заключить, что баланс веществ в атмосфере стал нарушаться в результате постоянно усиливающегося воздействия человека на окружающую среду. Повсеместно возникли качественные изменения атмосферы, которые привели к необходимости решения задач наблюдения, контроля и регулирования негативного воздействия на окружающую среду [6, 7].
В условиях функционирования крупного города одновременно происходит многослойное загрязнение окружающей среды различными взаимодействующими между собой полютантами, причем ПДК определяется лишь для незначительного их числа [8, 9].
При некоторых метеорологических ситуациях на отдельных участках территории городов увеличивается количество вредных примесей, содержащихся в воздухе, во много раз превышающих предельно допустимые концентрации (ПДК) [10].
В настоящее время в приземной атмосфере находятся многие загрязняющие вещества антропогенного происхождения, главными из которых являются оксиды серы, азота, углерода, пыль и сажа. Также следует отметить, что в воздухе ввиду продолжающегося роста промышленного и сельскохозяйственного производства, появляются новые химические соединения, в том числе сильно токсичные (сложные органические, хлорорганические и нитросоединения, техногенные радионуклиды, вирусы и микробы) [11].
Источниками образования промышленной пыли являются многие производственные процессы [12]: разрушение; дробление и погрузка, разгрузка, транспортировка сырья и др. Измельчение материала происходит также при его дроблении, при трении одного куска материала о другой, при трении или ударе кусков о стенки аппаратов и других процессах [13]. В процессе нагрева материала, приводящего к образованию микротрещин и измельчению, также образуется пыль. Наибольшее количество пыли образуется при приеме сырья на складах, дроблении и помоле, просеве, транспортировании и погрузке порошкообразных материалов. При отсутствии или несовершенстве систем аспирации концентрация пыли в воздухе рабочей зоны может быть очень большой.
В производственных помещениях, где обрабатывается сырье в сухом виде, выделяется значительное количество пыли [14]. Запылённость воздуха около работающего оборудования может быть различной и зависит от свойств перерабатываемого сырья, его влажности, герметичности кожухов и укрытий оборудования, наличия местной аспирации и др. [15].
При увеличении интенсивности пылеобразования в производственных процессах возрастает общая запылённость атмосферного воздуха, на прилегающей территории. Существенное значение при этом имеет скорость ветра, увеличение которой способствует более равномерному распределению пыли в атмосфере [16].
Таким образом, качество атмосферы промышленного города зависит, в первую очередь, от количества и опасности выбросов примесей, производимых предприятиями, находящимися на его территории.
Методический подход к оценке экологической опасности выбросов примесей предприятия
Уровень загрязнения атмосферы обычно характеризуется значениями приземных концентраций различных ингредиентов, измеренными на пунктах наблюдения загрязнения (ПНЗ), расположенных в различных частях города [17]. Для выражения степени загрязнения атмосферного воздуха как унифицированные единицы приняты весовые концентрации (мкг/м или мг/м3) [18, 19].
Чтобы оценить степень загрязненности атмосферы средние и максимальные концентрации веществ нормируются на величину средней (максимальной) концентрации для большого региона или на санитарно-гигиенический норматив, например, на предельно допустимую концентрацию (ПДК) [22]. Современными санитарно-гигиеническими нормами определены ПДК в атмосфере населенных пунктов более чем для 500 веществ. Причем ПДК загрязняющих веществ в воздухе жилых застроек во много раз меньше, чем ПДК для тех же веществ в воздухе промышленных предприятий. Различают среднесуточные (ПДКсс) и максимально разовые (ПДКмр) концентрации. Значения среднесуточных ПДК введены для учета вероятности длительного воздействия вредных веществ на организм человека и обеспечивают предупреждение общетоксического, канцерогенного и другого воздействия при неограниченно длительном вдыхании [9, 55].
При расчете выбросов учитывают также фоновые концентрации вредных веществ в воздухе Сф и концентрации вредных веществ от остальных источников загрязнения С, сумма которых в жилой зоне должна быть меньше или равна ПДК:
Одной из характеристик качества жизни населения по районам являются медико-демографические показатели здоровья населения. Кроме того, для объективной оценки степени загрязнения окружающей среды и принятия эффективных мер по оздоровлению экологической ситуации необходимо иметь достоверную информацию об источниках загрязнения атмосферы и составе выбрасываемых ими вредных веществ.
Выбросы загрязняющих веществ каждой отрасли промышленности в атмосферу города Оренбурга имеют специфическую геохимическую характеристику. Сравнение уровней загрязнения атмосферы различными предприятиями города Оренбурга выявило различные геохимические ассоциации загрязнителей в атмосфере. Поэтому оценка выбросов предприятий должна быть проведена через интегральные характеристики и комплексные показатели [17]. В связи с этим для оценки влияния выбросов вредных веществ для предприятий в целом используется категория опасности предприятия (формула 1.10).
Для сравнения уровней загрязнения атмосферы различных городов используется категория опасности города (КОГ), которая учитывает суммарную массу выбросов вредных веществ в атмосферу от всех предприятий, расположенных на территории города.
Методический подход к комплексной оценке качества атмосферы вокруг площадного источника выбросов примесей
Основным загрязняющим веществом, выделяющимся в атмосферу от зерноперерабатывагощих производств, является пыль органическая, поэтому комплексная оценка качества атмосферы должна основываться на изучении распространения этого вещества вокруг площадного источника.
Базовой характеристикой загрязняющего вещества в атмосфере является концентрация. Степень опасности пыли для человека характеризуется, как правило, ее дисперсным составом.
В зимнее время года особенно удобно оценивать степень вредного влияния пыли на селитебные территории при помощи снежного покрова, который, обладая свойством интегрального накопления загрязняющих веществ, вымываемых снегом из атмосферы, а также выпадающих на его поверхность, используется в качестве планшета-индикатора загрязнения подстилающей поверхности.
Аккумулируемые в снежном покрове ингредиенты сохраняются до снеготаяния и несут в себе значительную геохимическую информацию. Изучение содержания различных ингредиентов в снежном покрове является распространенным и удобным средством исследования влияния техногенных выбросов в окружающую среду [88].
В районах действия техногенных источников загрязнения снежный покров позволяет оценить химический состав атмосферных выпадений, их интенсивность, выявить ареолы рассеяния и получать информацию о степени загрязнения снежного покрова вблизи промышленных центров [21, 22, 38].
Вещества, загрязняющие атмосферный воздух, попадая с атмосферными осадками на подстилающую поверхность, оказывают нагрузки на урбанизированные территории, которые представляют собой интегральную характеристику загрязнения атмосферных осадков примесями и определяются по формуле [14, 15, 89].
