Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР И ВЫБОР НАПРАВЛЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ 9
1.1 Оценка влияния предприятий строительной индустрии на загрязнение атмосферы 9
1.2. Анализ существующих методов расчета рассеивания выбросов в приземном слое атмосферы 14
1.2.1. Физические основы прогноза загрязнения атмосферы 14
1.2.2. Основные модели рассеивания и методики расчета распространения примесей в приземном слое атмосферы 17
1.3. Особенности расчета рассеивания выбросов загрязняющих веществ 29
в атмосферу предприятий строительной индустрии 23
1.4. Обоснование выбора направлений исследования
1.5. Выводы по первой главе
ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ОСНОВНЫХ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПЫЛИ, ОБРАЗУЮЩЕЙСЯ В ПРОИЗВОДСТВЕ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ 31
2.1. Исследование дисперсного состава пыли производств строительных материалов 32
2.2. Основные физико-химические свойства пыли производств стройиндустрии 39
2.3. Экспериментальные исследования геометрического коэффициента формы частиц пыли стройиндустрии 42
2.4. Выводы по второй главе 44
ГЛАВА 3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ОСНОВЫ РАСЧЕТА РАССЕИВАНИЯ В АТМОСФЕРЕ ПЫЛЕВЫХ ВЫБРОСОВ ПРЕДПРИЯТИЙ СТРОЙИНДУСТРИИ 46
3.1. Анализ особенностей распространения частиц пыли от источников предприятий строительной индустрии 46
3.2. Описание натурного эксперимента и методики проведения экспериментальных замеро 49
3.2.1. Методика определения плотности пылеоседания 49
3.2.2 Методика определения концентрации вредных веществ в атмосферном воздухе 51
3.2.3 Планирование натурного эксперимента и обработка результатов 52
3.3. Натурные исследования закономерностей распространения частиц пыли в атмосферном воздухе от основных источников пылевыделения стройиндустрии 56
3.4. Математическое описание процесса рассеивания выбросов строительных производств, содержащих твердые частицы 64
3.5. Выводы по третьей главе 78
ГЛАВА 4. ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ 80
4.1. Основные положения методики расчёта выбросов промышленной пыли в атмосферу от предприятий стройиндустрии, находящихся на границе районов 81
4.1.1. Определение доли выбросов загрязняющих веществ от источников, находящихся на границе районов 82
4.2.1. Определение доли выбросов загрязняющих веществ от источников находящихся на расстоянии от границы районов 83
4.2. Результаты практических расчетов межрайонного переноса пыли строительных производств 89
4.3. Рекомендации по определению коэффициента F, учитывающего скорость оседания вредных веществ в атмосферном воздухе, при расчете рассеивания выбросов строительных производств 97
4.4. Эколого-социальная эффективность исследований 101
4.5. Выводы по четвертой главе 106
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 107
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 109
- Оценка влияния предприятий строительной индустрии на загрязнение атмосферы
- Исследование дисперсного состава пыли производств строительных материалов
- Анализ особенностей распространения частиц пыли от источников предприятий строительной индустрии
Введение к работе
Актуальность проблемы. Значительная часть современных технологических процессов предприятий строительной индустрии сопровождается выделением в атмосферу пыли, различной по свойствам и дисперсному составу.
Существующие методики расчета распространения вредных веществ в атмосфере дают оценку загрязнения воздушной среды, исходя из известной мощности источников выброса без учета специфики производств и свойств пылей, что обусловливает достаточно существенные расхождения между расчетным и фактическим значениями величин концентраций пыли на границе санитарно-защитной зоны предприятий. В частности, представляется целесообразным уточнить для пылей строительных производств величину коэффициента F в формуле расчета максимальной приземной концентрации, представленной в ОНД-86, который учитывает скорость гравитационного оседания частиц в атмосферном воздухе на подстилающую поверхность, что позволит получить расчетные значения концентраций более близкие к фактическим.
При переносе вредных веществ через границы административных образований в ряде случаев требуется оценить конкретный вклад предприятия в загрязнение каждой из сопредельных территорий, что не возможно сделать по существующим методикам.
Поэтому актуальным представляется дальнейшее совершенствование методик расчета рассеивания пылевых выбросов на предприятиях строииндустрии с учетом свойств пыли и специфики производств.
Работа выполнялась в соответствии с тематическим планом научно-исследовательских работ ГОУ ВПО Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета.
Цель работы - снижение негативного воздействия на окружающую среду предприятий строииндустрии посредствам повышения качества прогноза запыленности атмосферного воздуха.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие основные задачи:
- анализ влияния предприятий строительной индустрии на загрязнение атмосферы пылевыми выбросами;
- исследование дисперсного состава пыли, содержащейся в выбросах
предприятий строиндустрии, и обобщение данных об основных физико-
химических и аэродинамических свойствах пыли в выбросах в атмосферу;
разработка математической модели, описывающей движение пылевых частиц, характерных для выбросов строительных производств в атмосферу, в горизонтальном турбулентном потоке под действием силы тяжести с учетом их коэффициента формы;
разработка алгоритма расчета коэффициента F, учитывающего скорость гравитационного оседания частиц в атмосферном воздухе на подстилающую поверхность;
разработка математической модели для оценки доли пылевых выбросов от предприятий стройиндустрии, загрязняющих конкретную территорию.
Основная идея работы состоит в совершенствовании методических основ расчета распространения пылей в атмосфере, позволяющих учитывать свойства конкретных их видов, а также оценивать долю загрязнения, поступающего на конкретную территорию от каждого источника выбросов предприятий стройиндустрии.
Методы исследования включали: аналитическое обобщение известных научных и технических результатов, моделирование изучаемых процессов, обработку экспериментальных данных методами математической статистики и корреляционного анализа с применением аттестованной программы, лабораторные и опытно-промышленные исследования.
Научная новизна работы заключается в том, что:
проведена оценка закономерностей распространения пылевых выбросов строительных производств в атмосферном воздухе численными методами;
уточнена математическая модель, описывающая распространение твердых частиц, содержащихся в выбросах строительных производств;
посредством вычислительного и физического экспериментов исследованы и обобщены закономерности движения частиц пыли, содержащиеся в выбросах строительных производств; получены эмпирические зависимости, характеризующие изменение с расстоянием от источника выброса концентрации и плотности пылеоседания в зависимости от преобладающего направления ветра и периода года;
получены расчетные зависимости для коэффициента F, учитывающего скорость гравитационного оседания частиц в атмосферном воздухе на подстилающую поверхность;
определена доля загрязнения от конкретного источника предприятий по производству строительных материалов, поступающего на рассматриваемую территорию.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обоснована применением классических положений механики газа и теоретического анализа, планированием необходимого объема экспериментальных исследований, и подтверждена удовлетворяющей сходимостью теоретических результатов с результатами экспериментальных исследований, выполненных в лабораторных и промышленных условиях.
Практическое значение работы:
разработаны методика, которая утверждена Комитетом природных ресурсов и охраны окружающей среды Администрации Волгоградской области в 2004 году, и программа расчета доли выброса загрязняющих веществ от предприятий стройиндустрии, приходящихся на конкретную территорию;
получен алгоритм расчета коэффициента F, учитывающего скорость гравитационного оседания пыли в атмосферном воздухе на подстилающую поверхность при расчете максимальной концентрации вредных веществ в ОНД-86.
Реализация результатов работы:
результаты расчетов коэффициента F и методика, позволяющая определить долю выброса загрязняющих веществ от предприятий стройиндустрии, приходящихся на конкретную территорию, внедрены ООО «ПТБ ПСО Волгоградгражданстрой» при разработке разделов «Охрана окружающей среды» рабочего проекта и «Оценка воздействия на окружающую среду», проектов нормативов предельно-допустимых выбросов в атмосферу и «Санитарно-защитная зона» для предприятий отрасли;
материалы диссертационной работы использованы кафедрой «Безопасность жизнедеятельности в техносфере» ГОУ ВПО Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета в курсах лекций и дипломном проектировании при подготовке инженеров по специальностям 330200 «Инженерная защита окружающей среды» и 290700 «Теплогазоснабжение и вентиляция».
На защиту выносятся:
теоретические и экспериментальные результаты исследования закономерности движения частиц пыли в атмосферном воздухе;
математическая модель, описывающая распространение твердых частиц, содержащихся в выбросах строительных производств;
эмпирические зависимости, характеризующие изменение с расстоянием от источника выброса концентрации и плотности пылеоседания в зависимости от преобладающего направления ветра и периода года;
расчетные зависимости для коэффициента F, учитывающего скорость гравитационного оседания частиц в атмосферном воздухе на подстилающую поверхность;
методика определения доли загрязнения от конкретного источника предприятий по производству строительных материалов, поступающего на рассматриваемую территорию.
Апробация работы.
Основные положения и результаты работы докладывались и получили одобрение на: научно-технических конференциях «Проблемы промышленной экологии» (Волгоград, 2006 г.); «Экология, охрана среды, строительство» (Волгоград, 2003 г.); «Проблемы охраны производственной и окружающей среды» (Волгоград, 2001 г.); ежегодных научных конференциях профессорско-преподавательского состава Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета.
Публикации. Основные результаты исследований по теме диссертации изложены в 9 работах.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка использованной литературы и приложений. Общий объем работы 141 страница, в том числе 108 страниц - основной текст, содержащий 14 таблиц на 21 страницах, 29 рисунок на 25 страницах, список литературы из 170 наименований на 16 страницах.
Оценка влияния предприятий строительной индустрии на загрязнение атмосферы
Основные схемы производства строительных материалов включают добычу, доставку, измельчение (дробление, помол), рассев сырья, перемешивание основного сырья с добавками, водой и другими связующими веществами, прессование, сушку и в большинстве случаев обжиг изделий. Для приготовления многокомпонентных смесей применяют весовые дозаторы различных типов. Сырьевая смесь перемешивается в смесителях. Процесс производства обычно заканчивается сортировкой изделий, а при получении конечного продукта в виде сыпучего материала - механической упаковкой его в тару [54, 85].
Для таких схем производства характерно наличие ленточных транспортных устройств, транспортеров большой протяженности, а также установок для перемешивания материалов с различной степенью измельчения, влажностью и температурой.
Пыль выделяется почти на всех этапах производства строительных материалов. Наибольшее количество пыли образуется при приемке сырья на складах, дроблении и помоле, обжиге измельченного сырья, просеве, транспортировании, погрузке порошкообразного материала.
Вопросам анализа воздействия предприятий строительной индустрии на состояние атмосферного воздуха посвящено значительное количество исследований [5, 9, 13, 24, 25, 65, 86]. Как правило, подавляющее большинство авторов отмечает неудовлетворительное состояние воздушной среды. При этом наиболее интенсивными источниками пылеобразования считают места перегрузки материала, где создаются повышенные давления под воздействием падающего материала и инжектируемого им воздуха (перегрузка сыпучего материала с конвейера на конвейер, дробильно-помольные операции, транспортирование сыпучих материалов, заполнение материалом емкостей и силосов, работа основного технологического оборудования: прессов, смесителей, мельниц, питателей, грохотов, сушильных барабанов и т.д.) [77].
Например, в работах [13, 24, 25, 101] показано, что запыленность воздушной среды при производстве цемента достигает значений 100-120 мг/м3, извести - 70-80мг/м , строительной керамики - 6-Ю мг/м , древесно-стружечных и древесно-волокнистых плит - 11-15мг/м , минеральной ваты - 8-12 мг/м , гипсовых вяжущих - 7-12мг/м3.
При изготовлении цемента все сырьевые материалы подсушивают, дробят и измельчают до пылевидного состояния (при сухом способе). Полученную сырьевую шихту после корректирования ее состава в силосах обжигают при высокой температуре в клинкерообжигательных вращающихся или шахтовых печах, а затем охлаждают в холодильниках. Продукт обжига вместе с гипсом и другими добавками измельчают в мельницах, полученный цемент транспортируют на склад (в силосы), где его упаковывают в мешки. Количество неуловленной пыли, поступающей в атмосферу, составляет порядка 2% перерабатываемой массы [24, 25,43, 70,136].
Основными источниками пылевыделения на цементных заводах являются клинкеробжигательные печи мокрого и сухого способа производства. В среднем на каждую тонну обжигаемого клинкера из вращающихся печей мокрого способа производства выносится 5,3-7,5 т запыленных газов с температурой 140-400С и содержащих от 80 до 250 кг полуобожженной сырьевой шихты в виде пыли. При сухом способе производства количество сухих запыленных газов на 25-45 % меньше, но температура их достигает 350-400 С, а масса тонкодисперсной пыли составляет 50-120 кг на 1 т клинкера. У колосниковых холодильников клинкера на каждую тонну клинкера выбрасывается 1,1-1,8т сухого горячего воздуха, содержащего 7-Ю кг клинкерных частиц [24,25,43, 70,136].
На известковых комбинатах получают технологическую и строительную известь, сыромолотый гипс, щебень для строительства, известковую муку, наполнитель для асфальтобетона. Технология производства предусматривает добычу и транспортировку известняка, его дробление с грохочением, подсушку, обжиг и помол извести, складирование и отгрузку продукции.
Строительный гипс получают из гипсового камня путем дробления, помола и термической обработки в гипсоварочных котлах. Иногда камень измельчают в порошок после дегидратации. В ряде случаев гипс обжигают в сушильных барабанах. Все эти процессы связаны со значительным образованием тонкодисперсной пыли, содержащей 3-10% SiC 2 [24, 25, 136].
Основным источником пылевыделения в производстве гипсовых вяжущих является гипсоварочный котел и система пневмосепарации мельницы, причем выбросы от этих источников направляются на очистку в одну систему. Пыль в системе обеспыливающей вентиляции является смесью пыли гипса, поступающей от мельницы, и пыли гипсового вяжущего, поступающего от гипсоварочного котла. Пыль гипсового вяжущего составляет большую часть - около 85%. Как правило, на предприятиях отрасли в качестве пылеуловителей используются на первой ступени очистки - циклоны, на второй - электрофильтры [61].
Технологический процесс производства силикатного кирпича вкючает в себя следующие операции: измельчение комовой извести в дробилках, помол извести с песком в мельницах, перемешивание и увлажнение молотой извести с песком в двухвальных смесителях, гашение силикатной массы в силосах, до-увлажнение силикатной массы в смесителях, прессование и гидротермальная обработка сырца в автоклавах. Все перечисленные технологические процессы сопровождаются интенсивным пылеобразованием. Количество сырья, превращающегося в пылевые издержки при производстве силикатного кирпича, составляет от 5 до 8% [24,25,33,43].
Исследование дисперсного состава пыли производств строительных материалов
Анализ дисперсного состава пыли проводили методом микроскопии с использованием аттестованной программы Dust для обработки полученных результатов (свидетельство об аттестации №18-03 от 08.08.03 г.) [8]. Для исследования основных физико-химических свойств пылей стройиндустрии, были отобраны пробы данного дисперсного материала по методике [88].
Дисперсный состав пыли можно описать с помощью теоретических и экспериментальных зависимостей [2, 3, 14, 37, 83,115, 135].
Теоретические зависимости получены на основе некоторых физических представлений о закономерностях распределения размеров частиц пыли и сыпучих материалов. К ним условно можно отнести: логарифмически -нормальное распределение, формулы Ромашова, Загустина, Гриффитса. К экспериментальным зависимостям, полученным на основе описания результатов анализа дисперсного состава пыли, можно отнести формулы Мартина - Андреасена, Годэна, Розина, Рамблера, Свенсона - Авдеева, Шифрина, Петрояля. Достаточно полный обзор существующих теоретических и экспериментальных распределений фракционного состава промышленной пыли и порошков представлен в работах П.А. Коузова и В.А. Харченко.
Логарифмически нормальное распределение считается наиболее обоснованным для аналитического описания данных дисперсного анализа пыли, если речь идет о продуктах размола. Академик А.Н. Колмогоров [83], исходя из простых предположений о характере процесса дробления твердых частиц, показал, что в процессе измельчения распределение частиц асимптотически стремится к логнормальному, в котором нормально распределен не диаметр частиц, а его логарифм.
Функция прохода D(d) и плотность (p(d) логарифмически - нормального распределения массы дисперсного материала по диаметрам частиц представляется в виде [4]:
Однако в систему аспирации зачастую крупные частицы не попадают из-за того, что скорость их витания выше скорости в рабочем сечении местных отсосов от технологического оборудования. В.А. Минко и ряд других исследователей доказали, что для аспирационнои пыли характерно усеченное логарифически нормальное распределение. Именно поэтому даже в вероятностно - логарифмической системе координат результаты дисперсного состава пыли, отобранной из системы аспирации, не приобретают вид прямых линий. Полученные кривые распределения зачастую аппроксимируются двухзвенным сплайном посредством знакового метода или метода наименьших квадратов [9].
С целью выявления аналитической зависимости, наиболее точно описывающей распределение, полученное при анализе дисперсного состава, экспериментальные точки наносились на вероятностно - логарифмическую, на двойную логарифмическую и логарифмическую координатные сетки.
Анализ технологического процесса производства минераловатных изделий как источника загрязнения атмосферы, показал, что к наиболее интенсивным источникам пылевыделения можно отнести ножи резки минераловатного ковра на плиты.
Были отобраны пробы пыли минераловатной на выходе из аспирационнои системы, обслуживающей транспортер с механизмами продольной и поперечной резки ковра в двух вариантах: 1 - на выходе из рукавного фильтра, с эффективностью очистки 99%; 2 - на выходе из фильтрующего материала толщиной 0,047 мис эффективность очистки 99,5%. Полученные в результате анализа интегральные кривые распределения представлены на рис. 2.2.
По результатам анализа дисперсного состава можно сделать вывод, что медианный диаметр пыли на выходе из рукавного фильтра составил 40 мкм, а диапазон изменения крупности варьируется от 2,8 до 75 мкм; на выходе из фильтра с фильтрующим элементом в виде плиты минераловатной медианный диаметр пыли составил 10 мкм, а диапазон изменения крупности варьируется от 2,0 до 17 мкм [29, 33].
Анализ особенностей распространения частиц пыли от источников предприятий строительной индустрии
Рассеивание загрязнений в атмосферном воздухе - сложный физический процесс, определяемый в первую очередь особенностями движения воздушных потоков и метеорологическими условиями.
Для рассеивания вредных веществ в атмосфере большое значение имеет диффузия. Если бы не было процессов диффузии, загрязнения накапливались бы приземном слое атмосферы, что затрудняло бы, в свою очередь, нормальное существование людей. Вредные выбросы различных производств по-разному распространяются в атмосферном воздухе [51].
Для исследования особенностей распространения в атмосфере выбросов строительных производств и обобщения полученных закономерностей были проведены расчеты рассеивания вредных веществ, содержащихся в выбросах ОАО «Себряковский комбинат асбестоцементных изделий», ОАО «Волжский завод асбестовых технических изделий», ОАО «ВЗТИ «Термостепс» программой «Эколог-2.55», разработанной фирмой «Интеграл», г. Санкт-Петербург, и согласованной ГГО имени А.И. Воейкова, которая реализует «Методику расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятия» ОНД-86, введенную с 01.01.1987 г. [99]. Исходные данные для расчета приняты на основании проведенных на предприятиях строительной индустрии инвентаризаций источников выбросов загрязняющих веществ в атмосферу, получены расчетным путем и инструментальными замерами, проводимые аккредитованной лабораторией ЦЛАТИ.
Результаты расчетов приземных концентраций вредных веществ представлены картами рассеивания с изолиниями концентраций загрязняющих веществ. Изолинии карт рассеивания показывают распространение вредных веществ внутри расчетной площадки. Цифры на изолиниях карт показывают концентрации в долях ПДК (приложение 2).
Анализ полученных карт рассеивания для ОАО «СКАИ» показал, что концентрация пыли древесной, пыли щебня, пыли песка на территории предприятия превышают значения ПДК по указанным веществам в несколько раз, однако на границе санитарно-защитной зоны (СЗЗ) концентрация не превышает (0,1-0,3) ПДК. Аналогичный вывод можно сделать и для ряда других предприятий строительного комплекса (табл. З.1.).
Анализ данных табл. 3.1. показывает, что хотя фактические массовые выбросы предприятий по рассматриваемым веществам не превышают норматива ПДВ, фактическая же концентрация веществ на границе санитарно-защитной зоны, определяемая замерами, в ряде случаев, превышает предельно допустимую концентрацию.
![Эколого-гигиеническая оценка атмосферных выбросов городских предприятий теплоэнергетики [Электронный ресурс]](/i/i/4383/210010.png "Эколого-гигиеническая оценка атмосферных выбросов городских предприятий теплоэнергетики [Электронный ресурс] Селюнина Светлана Викторовна")
