Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР И ВЫБОР НАПРАВЛЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ
1.1. Анализ технологических процессов производств строительных конструкций как источников выброса формальде-гидсодержащей древесной пыли 11
1.2. Современное состояние проблемы улавливания древесной пыли производств строительных конструкций 18
1.3. Анализ существующих способов оценки общей и фракционной эффективности пылеуловителей 22
1.4. Обобщение основных свойств древесной пыли производств строительных конструкций 25
1.5. Методы определения дисперсного состава пыли и обработки его результатов 27
Выводы по первой главе 30
ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ И ОБОБЩЕНИЕ ОСНОВНЫХ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ И АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ФОРМАЛЬДЕГИДСОДЕРЖАЩЕЙ ДРЕВЕСНОЙ ПЫЛИ
2.1. Методическое и программное обеспечение исследований дисперсного состава формальдегидсодержащей древесной пыли 32
2.2. Определение дисперсного состава формальдегидсодержащей древесной пыли 35
2.3. Исследование основных физико-химических свойств фор-мальдегидсодержащей древесной пыли 41
2.4. Экспериментальное определение аэродинамических характеристик исследуемой пыли 44
2.5. Определение геометрического коэффициента формы частиц формальдегидсодержащей древесной пыли 49
Выводы по второй главе 54
ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ОЧИСТКИ ВЫБРОСОВ ОТ ФОРМАЛЬДЕГИДСОДЕРЖАЩЕЙ ДРЕВЕСНОЙ ПЫЛИ ПРОИЗВОДСТВ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ
3.1. Исследование эффективности улавливания формальдегидсодержащей древесной пыли пылеуловителями на встречных закрученных потоках 56
3.2. Исследование эффективности улавливания ВИП мокрой очистки 61
3.2.1. Разработка конструкции мокрого пылеуловителя на встречных закрученных потоках 68
3.3. Сравнительный анализ эффективности улавливания формальдегидсодержащей древесной пыли различными пылеулавливающими аппаратами 70
3.4. Разработка технологии улавливания и утилизации формальдегидсодержащей древесной пыли 75
Выводы по третьей главе 78
ГЛАВА 4. ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ
4.1. Применение разработанной технологии очистки и утилизации уловленной формальдегидсодержащей древесной пыли 80
4.2. Эколого-экон омический эффект применения предлагаемых технологических решений по очистке выбросов от формальдегидсодержащей древесной пыли производств строи- 81
тельных конструкций
Выводы по четвертой главе 89
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 91
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 92
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ 104
ПРИЛОЖЕНИЯ 106
- Анализ технологических процессов производств строительных конструкций как источников выброса формальде-гидсодержащей древесной пыли
- Методическое и программное обеспечение исследований дисперсного состава формальдегидсодержащей древесной пыли
- Исследование эффективности улавливания формальдегидсодержащей древесной пыли пылеуловителями на встречных закрученных потоках
Введение к работе
Актуальность проблемы. Значительный вклад в пылевые выбросы в атмосферу вносят предприятия строительной индустрии, где одним из главных источников являются процессы деревообработки. В соответствии с перечнем загрязняющих атмосферный воздух веществ пыль древесины относится к 4-ому классу опасности, и ее принято считать относительно безопасной. Однако древесную пыль нельзя рассматривать как нетоксичный материал, так как она является хорошим сорбентом, поглощающим вещества, воздействию которых древесина подвергается во время обработки. Основным из них является формальдегид, входящий в состав связующих, клеев и смол, применяемых в производстве строительных конструкций. Наибольшей токсичностью отличаются высокодисперсные пылевые выбросы с содержанием формальдегида до 8-11 % по массе, образующиеся в процессах шлифования и полирования строительных конструкций.
В настоящее время в технике пылеулавливания наибольшее распространение для деревообрабатывающих цехов предприятий строительных конструкций получили циклоны Гипродрева, Гипродревпрома Ц, УЦ-38. Однако эффективность их для формальдегидсодержащеЙ древесной пыли является недостаточно высокой, в результате чего только в Волгограде выбросы в атмосферу от деревообрабатывающих цехов достигают 1,475 тыс. тонн в год. Вследствие этого ПДК на границе сани-тарно-защитной зоны предприятий превышается в среднем по пыли в 2,4 раза.
Таким образом, является актуальным решение проблемы снижения содержания формальдегидсодержащеЙ древесной пыли в выбросах производств строительных конструкций посредством совершенствования систем пылеулавливания.
Работа выполнялась в соответствии с программой Министерства образования РФ «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники. Раздел 207. Экология и рациональное природопользование. Подраздел 207.03. Природоохранные технологии, переработка и утилизация техногенных образований» и тематическим планом научно-исследовательских работ Волгоградского государственного технического университета.
Цель работы. Снижение негативного воздействия на окружающую среду формальдегидсодержащей древесной пыли выбросов производств строительной индустрии посредством совершенствования систем пылеулавливания.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
оценка технологических процессов производств строительных конструкций как источников загрязнения окружающей среды формальдегидсодержащей древесной пылью;
экспериментальные исследования аэродинамических характеристик и основных физико-химических свойств формальдегидсодержащей древесной пыли;
экспериментальные исследования процессов улавливания формальдегидсодержащей древесной пыли в вихревом инерционном аппарате на встречных закрученных потоках;
разработка технологии очистки выбросов производств строительных конструкций от формальдегидсодержащей древесной пыли в вихревом инерционном аппарате на встречных закрученных потоках;
разработка компьютерной программы математической обработки результатов дисперсионного анализа пылей с расчетом дисперсного состава и геометрических характеристик частиц.
Основная идея работы состоит в разработке технологии очистки выбросов производств строительных конструкций от формальдегидсодержащей древесной пыли в вихревом пылеуловителе.
Методы исследования включали: аналитическое обобщение известных научных и технических результатов; математическую обработку экспериментальных данных методами математической статистики и корреляционного анализа с применением ПК.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обоснована применением классических положений теоретического анализа, планированием необходимого объема экспериментов, подтверждена удовлетворяющей сходимостью полученных результатов экспериментальных исследований, выполненных в лабораторных и опытно-промышленных условиях, патентной чистотой разработанного технического решения.
Научная новизна работы состоит в том, что:
разработаны основные технологические принципы организации процесса улавливания формальдегидсодержащей древесной пыли производств строительных конструкций в вихревом инерционном пылеуловителе;
получены экспериментальные зависимости эффективности улавливания формальдегидсодержащей древесной пыли от режимно-технологических параметров работы вихревого инерционного пылеуловителя;
проведено исследование характеристик дисперсного состава пыли как случайной функции на примере формальдегидсодержащей древесной пыли, позволяющее оценивать эффективность пылеулавливания с учетом реальных режимов работы источников пылевыделения;
определены основные физико-химические свойства и аэродинамические характеристики формальдегидсодержащей древесной пыли, и установлены экспериментальные зависимости скорости оседания от
эквивалентного диаметра и геометрического коэффициента формы частиц исследуемой пыли.
Практическое значение работы:
разработана и внедрена усовершенствованная конструкция вихревого инерционного пылеуловителя для очистки выбросов от формальдегид содержащей древесной пыли, новизна которой подтверждена патентом РФ на полезную модель (№ 34397);
усовершенствована и внедрена методика микроскопического анализа дисперсного состава пыли, утвержденная Госстандартом России (№ 13/08-03);
разработана компьютерная программа обработки данных по дисперсному составу пыли, позволившая усовершенствовать методику дисперсионного анализа и снизить погрешность измерений с 25 до 15 %. Реализация результатов работы:
вихревой инерционный пылеуловитель для очистки выбросов от формальдегидсодержащей древесной пыли прошел промышленные испытания и внедрен в цехе строительных конструкций Управления строительством УВД Волгоградской области;
усовершенствованная методика микроскопического анализа дисперсного состава пыли и разработанная компьютерная программа обработки экспериментальных данных приняты для использования Волжским ООО «ИНТОВ-ЭЛАСТ» для разработки проектных решений по снижению пылевых выбросов цеха подготовки;
разработанные технические решения по очистке выбросов в атмосферу от формальдегидсодержащей древесной пыли приняты для использования ООО «ПТБ ПСО Волгоградгражданстрой» при разработке проектной документации для предприятий отрасли;
материалы диссертационной работы использованы кафедрой промышленной экологии и безопасности жизнедеятельности Волгоградского государственного технического университета в учебном процессе
при подготовке инженеров по специальности 3207 «Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов».
На защиту выносятся:
результаты исследований по разработке основных технологических принципов организации процесса улавливания формальдегидсодержащей древесной пыли;
аналитические и экспериментальные зависимости эффективности улавливания формальдегидсодержащей древесной пыли в вихревом инерционном аппарате от режимно-технологических параметров его работы;
- результаты исследований дисперсного состава, основных физико-химических свойств и аэродинамических характеристик частиц формальдегидсодержащей древесной пыли, образующейся в процессах шлифования строительных конструкций.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и получили одобрение на: научно-практической конференции «Экология и безопасность жизнедеятельности, научно-прикладные аспекты, инженерные решения» (Волгоград, 1996); научно-технической конференции «Прогрессивные методы и технологии получения и обработки конструкционных материалов и покрытий» (Волгоград, 1997); научно-практической конференции «Проблемы охраны окружающей среды от промышленных, бытовых и медицинских отходов, осадков сточных вод» (Пенза, 1997); научно-технических конференциях «Проблемы охраны производственной и окружающей среды» (Волгоград, 2001, 2002); региональной конференции молодых исследователей Волгоградской области по направлению «Экология, охрана среды, строительство» (ВолгГАСА, 2003); ежегодных научно-технических конференциях Волгоградского государственного технического университета.
Публикации. Основные результаты исследований по теме диссертации изложены в 12 работах, в том числе в свидетельстве Госстандарта России на методику выполнения измерений и в патенте на полезную модель.
Объем и структура работы, Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Общий объем работы - 167 страниц, в том числе: 105 страниц - основной текст, содержащий 9 таблиц на 1.0 страницах, 24 рисунка на 19 страницах; список литературы из 120 наименований на 12 страницах; 3 приложения на 62 страницах.
Анализ технологических процессов производств строительных конструкций как источников выброса формальде-гидсодержащей древесной пыли
Производства строительных конструкций являются источниками загрязнения окружающей среды не только древесной пылью, но и токсичными веществами, выделяющимися, в основном, в процессах склеивания, антисептирования, грунтовки, окраски, древесины и нанесения защитных покрытий. К технологическим процессам, отличающимся наибольшим разнообразием и количеством выделяющихся вредных веществ, относятся процессы склеивания, широко применяемые в производствах древесноволокнистых, древесностружечных плит и фанеры. Наибольшее распространение в технологических процессах склеивания в производстве строительных конструкций получили смолы и клеи, в составе которых содержится свободный формальдегид. Его содержание в клеях КС-72 достигает 12-15 г/кг; КС-68 - 10 - 12 г/кг; М-19-62 - 10 - 12 г/кг; в пропиточных смолах МФ - 30 - 40 г/кг; М — 60 - 15 г/кг; ПМФ - до 12 г/кг; урелите - 1 - до 10 г/кг [38, 73].
Свободный формальдегид, при его содержании в связующем более 1%, выделяется не только в процессе технологических операций, но и сорбируясь на древесной пыли, вызывает загрязнения атмосферного воздуха токсином остронаправленного действия. Наличие формальдегида исключает утилизацию уловленной пыли, которая относится ко второму классу опасности, вывозится на полигоны промышленных отходов, где формальдегид, выделяясь в атмосферу, загрязняет её. Кроме того, формальдегид растворяется в талых и атмосферных водах, попадает в поверхностные водоёмы и грунтовые воды, оказывая негативное воздействие на животный и растительный мир [27, 39, 54]. Под воздействием формальдегида происходит деградация зеленых насаждений, которые выполняют важнейшие экологические, санитарно-гигиенические и рекреационные функции. В большей мере страдают деревья и кустарники: обжигаются кроны растений, листья подвергаются некротическому воздействию в течение всего вегетационного периода. Указанное неблагоприятное воздействие приводит к уменьшению зеленого фонда городов и населенных пунктов [107].
Со взвешенными частицами гигиенисты связывают большое количество заболеваний [43]. Степень опасности взвешенных частиц для здоровья можно обосновать тем фактом, что в рекомендациях Всемирной Организации Здравоохранения для взвешенных частиц не устанавливается их предельное содержание в атмосферном воздухе. Это объясняется тем, что взвешенные частицы обладают, возможно, эффектом беспорогового воздействия [120]. Степень вредного воздействия древесной пыли, в основном, зависит от её дисперсности и породы деревьев [43, 73]. Постоянный контакт с древесной пылью приводит к различным заболеваниям органов дыхания, кожи и глаз, а также к развитию пневмокониоза и пылевого бронхита.
Формальдегид относится ко 2 классу опасности. Его ПДКмр в воздухе населенных мест составляет 0,003 мг/м3 [91]. Он оказывает на организмы общетоксическое, разражающее, аллергическое и канцерогенное действие [26]. Более всего страдают верхние и глубокие дыхательные пути. При проведении выборочного исследования на отдельных территориях установлено, что удельный вес заболеваний органов дыхания в условно-чистом центре города на 10 - 12 %, а удельный вес смертности от болезней органов дыхания в 1,4 — 2,3 раза ниже, чем в промышленных районах города, где, в основном, расположены деревообрабатывающие предприятия [106].
Для определения источников выделения форм ал ьдегидсо держащей древесной пыли был выполнен анализ технологических процессов производств наиболее распространенных строительных материалов, применяемых как конструкционные и отделочные. Схема процесса получения фанеры повышенной влагостойкости на основе формальдегидсодержащего клея КС - 68 приведена на рис. 1.1. Технология производства древесно-слоистых пластиков для приготовления химически стойких, прочных, немагнитных несущих конструкций, крепежных, вспомогательных и монтажных элементов аналогична технологии производства фанеры, где также в качестве основного процесса применяется процесс склеивания плит формальдегидсодержащим полимером [48]. Однако в производстве слоистых пластин на основе шпона из дерева имеются свои технологические особенности, связанные с пропиткой шпона, собранного в пакеты или контейнеры, 28-36% или 50-55% раствором резольного полимера, включающего формальдегид с дальнейшей глубокой пропиткой в автоклаве (рис. 1.2).
При приготовлении древесно-стружечных плит (ДСП) средней и высокой плотности широко применяются пропиточные клеящие растворы на основе формальдегидсодержащего полимера, а также процессы горячего прессования древесных стружек со связующими смолами. Расход полимера составляет от 8 до 12 % по массе [13]. После процессов сушки и обрезки кромок поверхность плит шлифуют. Технология приготовления ДСП (рис. 1.3) также включает процесс горячего прессования волокнистой массы, включающей термореактивный формальдегидсодержащий полимер (МФ, ММФ, М-60 Ф, М-60 и др.).
Анализ схем представленных технологических процессов получения строительных конструкций позволил установить, что основными источниками выделения формальдегида в окружающую среду являются процессы промазки, пропитки клеями и резольными смолами, а также прессования и сушки. К основным источникам выделения формальдегид со держащей древесной пыли нужно отнести процессы механической обработки - резку и шлифование.
Методическое и программное обеспечение исследований дисперсного состава формальдегидсодержащей древесной пыли
Для определения дисперсного состава формальдегидсодержащей древесной пыли, образующейся в процессе шлифования строительных конструкций, применялась усовершенствованная методика микроскопического анализа с применением ПК [87, 88, 100], утвержденная Госстандартом России. На данную методику выдано свидетельство № 18/03 от 8.08.2003 (Приложение 1). Методика предназначена для измерений величины пылевидных частиц путем фотографирования через микрофотоприставку образцов, увеличенных под микроскопом в 100-200 раз, и дальнейшего расчета дисперсного состава пыли, выделяющейся в атмосферный воздух и воздух рабочей зоны от технологических процессов в промышленности и сельском хозяйстве.
Диапазон измеряемых пылевидных частиц от 1,0 до 100 мкм [6, 100]. Погрешность измерений с учетом погрешности микроскопа, микроприставки и отбора проб составляет ± 15 % [55, 59]. Операции отбора проб, просветления фильтра, микрофотографирования, получения электронной копии изображения выполняются аналогично способом, указанном в работах [5, 6]. Для цифровой обработки отсканированного изображения разработана программа DUST. Программа представляет собой информационно-поисковую систему оценки размеров, формы, геометрических характеристик и количества частиц пыли по их изображениям, что достигается за счет разносторонней обработки исходных данных [10, 67]. Программа позволяет работать в пакетном режиме, обрабатывая подряд множество файлов микрофотографий с эталоном, и последующей математической обработкой, как множества файлов, так и каждого отдельно. Это достигается за счет возможности эффективного хранения и поиска информации по предметной области. Система содержит ряд основных и вспомогательных процедур, а также совокупность баз данных различного назначения.
Основная функция системы: позволяет оценить размеры, форму и количество частиц пыли по изображениям, полученным с микроскопа на основе анализа и обобщения эвристических приемов предметной области, формального проектирования на основе аналитик, методов случайного поиска и морфологического синтеза [85].
Изображение, снятое со сканера, обрабатывается с помощью графического пакета, поддерживающего работу с имеющимся сканером. Графическая обработка отсканированного изображения включает: выделение фрагмента, т.е. рабочей области изображения, для последующей обработки; инвертирование изображения; сохранение в формате Windows Bitmap (.bmp) в черно- белом режиме (1 bit/pixel). Для примера, при использовании пакета Adobe PhotoShop 4.0 выполняется следующая последовательность действий:
1) выделить рабочую область изображения с помощью инструмента Marquee Tool;
2) копировать область в буфер обмена (меню Edit-Copy);
3) создать новый документ (меню File-New с указанием Mode-Bitmap);
4) вставить скопированную область из буфера обмена (меню Edit-Paste);
5) инвертировать изображение (меню Image-Adjast-Invert);
6) сохранить в формате Windows Bitmap (.bmp) в черно-белом режиме (1 bit/pixel):
меню File-SaveAs,
в поле FileName ввести имя файла,
в поле SaveAs выбрать формат BMP ( .bmp, ,rle),
нажать Save, в панели BMP Options выбрать FileFormat-Windows, Depth-1 bit,
нажать OK, подтвердить сохранение нажатием Yes,
полученная таким образом микрофотография может быть внесена в программу Dust для цифровой обработки.
Обработка полученных микрофотографий включает: определение эквивалентных диаметров частиц на микрофотографии с помощью объектмикрометра ОМП; подсчет числа частиц и распределение частиц по размерам. Далее выполняется математическая обработка результатов с построением гистограмм и графиков.
Архитектура системы и проектных операций программы приведены в приложении 2.
В отличие от существующих программ Little 2 и Matlab Image procssing Toolbox, разработанная программа DUST позволяет определять форму пылевидных частиц, рассчитать коэффициент их сферичности, от которого зависит сопротивление среды относительному движению частицы, а, следовательно, и эффективность работы систем аспирации. Кроме того, программа DUST позволяет построить интегральные и дифференциальные функции распределения частиц по эквивалентным диаметрам и ряд других характеристик [55]. Пример цифровой обработки отсканированных микрофотографий при помощи программы DUST приведен в приложении 3.
Система DUST внедрена на ООО «Интов-Эласт» для определения фракционного состава пыли асбеста, сажи, серы и др. ингредиентов цеха подготовки с целью повышения эффективности работы пылеулавливающего оборудования (Приложение 3).
Как указывалось выше, свойства формальдегид содержащей древесной пыли должны отличаться от свойств «чистой» древесной пыли. Поскольку физико-химические свойства формальдегидсодержащей древесной пыли изучены недостаточно, возникает необходимость их экспериментального определения.
Исследование эффективности улавливания формальдегидсодержащей древесной пыли пылеуловителями на встречных закрученных потоках
Для определения области варьирования факторов, влияющих на эффективность улавливания формальдегидсодержащей древесной пыли, был выполнен предварительный эксперимент. В качестве базового аппарата очистки выбросов в атмосферу от исследуемой пыли выбран вихревой пылеуловитель, который достигает достаточно высокой эффективности на «чистой» древесной пыли [73]. Исследование эффективности улавливания производилось с древесной формальдегидсодержащей пылью, образующейся в процессе шлифования при обработке древесно-стружечных плит. Эксперименты выполнялись на установке, представленной на рис. 3.1. Основным элементом установки является вихревой инерционный пылеуловитель со встречными закрученными потоками ВИП-160, имеющий цилиндрический корпус диаметром 160 мм. Размеры основных элементов (высота и ширина верхнего ввода первичного потока, диаметр патрубка нижнего ввода вторичного потока, диаметр отбойной шайбы и т.д.) приняты в соответствии с соотношением конструктивных параметров, характерных для аппаратов ВИП. Узел загрузки материала (10) соединен горизонтальным воздуховодом (11) d = 100 мм. с вихревым пылеуловителем (1) ВИП-160.
Для закручивания вторичного потока на нижнем вводе (5) в вихревой инерционный пылеуловитель (1) установлен завихритель ленточно-сп прального типа (8), обеспечивающий необходимый угол раскрытия струи и устойчивость потока. Нижний ввод (5) соединен с горизонтальным воздуховодом (4) у входа в закручиватель воздуховодом прямоугольного сечения (7). Для регулирования расхода воздуха, подаваемого на нижний
58 ввод, установлена заслонка (6). В качестве источника тяги используется радиальный вентилятор (4), установленный по ходу движения воздуха за ВИЛ (1), соединенный с ним воздуховодом (2), на котором установлен шибер (12) для изменения расхода воздуха в установке. Бункер (9) предназначен для сбора уловленного материала. Замеры давления производятся микроманометром и трубкой Пито-Прандтля в замерных сечениях I, II.
Для исследования эффективности пылеулавливания был выполнен эксперимент второго порядка типа 2" (где п = 2 — число факторов). В качестве параметра оптимизации принята эффективность работы вихревого пылеуловителя. В качестве варьируемого фактора было выбрано (LJLo) -соотношение расходов воздуха, подаваемого через нижний ввод в аппарат, и общего, подаваемого на очистку в пылеуловитель.
Экспериментальные замеры проводились в соответствии с принятыми стандартными методиками [9, II, 93, 101]. По величинам давлений, измеряемых в замерных сечениях воздуховодов (I, II) при помощи пневмометрических трубок (Пито-Прандтля) и микроманометра ММН-250, определялись: общий расход воздуха в установке; расход воздуха подаваемого на нижний ввод пылеуловителя. В каждом замерном сечении было замерено динамическое давление Рщ и Рдц (мм.водхт.). для перевода давления в систему СИ использовалась формула: При известной скорости воздуха определяем расход воздуха в замерных сечениях I(Lj) и I(LU) по формуле:
L = V F 3600, (3.3)
где V - скорость движения воздуха в воздуховоде, м/с; F - площадь замерного сечения, м2.
Затем находим соотношение расходов воздуха, поступающего на нижний ввод LJI к общему расходу L0 в сечениях I и II соответственно.
Оценка эффективности улавливания осуществлялась на основе сопоставления поступающей и выходящей массы пыли, определяемых путем взвешивания поступающей в установку пыли через узел загрузки материала и уловленной. Результаты замеров приведены в таблице 3.1.
Зависимость эффективности пылеулавливания ВИЛ от соотношения расходов воздуха, подаваемого через нижний ввод аппарата и общего, подаваемого на очистку, представлена на рисунке 3.2.
