Содержание к диссертации
Введение
1. Экологические и социальные последствия пожаров 10
1.1. Пожары как экологический фактор 10
1.2. Пожарная ситуация в современном мире и в России 18
1.3. Экологические и социальные последствия пожаров на промышленных предприятиях 22
1.4. Анализ современных подходов к исследованию качественного и количественного состава продуктов сгорания при пожарах на промышленных предприятиях 26
1.5. Современное состояние математического моделирования процессов распространения примесей в атмосфере 28
2. Оценка пожарных рисков на промышленных предприятиях республики Хакасия 32
2.1. Влияние промышленных предприятий на экологическое состояние региона 32
2.2. Экологические и социальные последствия пожаров на промышленных предприятиях республики Хакасия 39
2.3. Анализ пожарных рисков в республике Хакасия 46
2.4. Анализ пожарных рисков на промышленных предприятиях республики Хакасия 50
3. Исследование распространения и трансформации продуктов сгорания при пожарах на промышленных предприятиях республики Хакасия 54
3.1. Теоретическое обоснование метода математического моделирования при исследовании распространения и трансформации продуктов горения при пожарах на промышленных предприятиях 54
3.2. Численное моделирование распространения примесей, выбрасываемых в атмосферу Минусинской котловины при пожарах на промышленных предприятиях республики Хакасия 57
3.3. Численное моделирование распространения и трансформации примесей, выбрасываемых в атмосферу Минусинской котловины при пожарах на промышленных предприятиях республики Хакасия 67
3.4. Анализ результатов численного моделирования 76
4. Разработка защитных мероприятий от статического электричества и их практическое внедрение 80
4.1. Влияние статического электричества на технологические процессы, безопасность производств и человека 80
4.2. Электризация органических жидкостей, как наиболее опасный источник воспламенений и взрывов 85
4.3. Анализ методов и способов защиты от статического электричества технологических процессов, связанных с обращением органических жидкостей 87
4.4. Разработка устройства для релаксации зарядов статического электричества, образующихся при заполнении резервуаров электризующимися органическими жидкостями 92
4.5. Результаты испытаний и внедрение новой конструкции узла для гашения скорости истечения жидкости в резервуар 102
Заключение 107
Литература 109
Приложения.124
- Пожарная ситуация в современном мире и в России
- Влияние промышленных предприятий на экологическое состояние региона
- Теоретическое обоснование метода математического моделирования при исследовании распространения и трансформации продуктов горения при пожарах на промышленных предприятиях
- Влияние статического электричества на технологические процессы, безопасность производств и человека
Введение к работе
Общество на современном этапе развития всё чаще сталкивается с проблемами обеспечения безопасности и защиты человека и окружающей среды. Устойчивое развитие и безопасность — две взаимосвязанные концепции, имеющие большое значение при выборе целей и путей перехода к соэволюции природы и общества.
В настоящее время масштабы влияния на биосферу хозяйственной деятельности человека сопоставимы с масштабами геологических и геохимических процессов. При этом наблюдается устойчивая тенденция роста негативных последствий деятельности человека. Поэтому возникла необходимость разработки принципиальных подходов к интеграции распылённых знаний о защитных и охранных процессах отдельных компонентов биосферы, а также образование комплексного биосферо-социального видения защиты цивилизации.
Федеральным законом «Об охране окружающей среды» №7-ФЗ от 10.01.2002 г. введены новые принципы охраны окружающей среды, такие как, презумпция экологической опасности хозяйственной деятельности; приоритет сохранения естественных экосистем, природных комплексов и ландшафтов; обязательность использования технологий, имеющих природоохранный эффект.
В Экологической Доктрине Российской Федерации, принятой Правительством РФ 31.08.2002г., в числе приоритетных направлений деятельности по обеспечению экологической безопасности признаны:
? обеспечение безопасности при осуществлении потенциально опасных видов деятельности и при чрезвычайных ситуациях;
? предотвращение и снижение экологических последствий чрезвычайных ситуаций.
Экологические риски, сопряжённые с авариями, взрывами и пожарами на промышленных предприятиях, являются одними из наиболее значимых по своим отдалённым последствиям, так как сопровождаются
залповыми выбросами вредных веществ в атмосферу и создают экстремально высокие уровни загрязнения в отдельных регионах.
Мировая статистика взрывов и пожаров на промышленных предприятиях свидетельствует о серьёзной опасности статического электричества, возникающего в различных технологических процессах связанных с обращением электризующихся жидкостей (масла, мазуты, керосин и другие нефтепродукты). Например, в США суммы, ежегодно выплачиваемых пособий по случаям связанным со статическим электричеством, доходят до 7 млн. долларов, из них до 70 % приходится на долю промышленных предприятий [98]. При этом до 5 % пожаров и взрывов в промышленности происходят вследствие разрядов статического электричества. Ежегодные потери, по оценкам экономистов, по причинам связанным со статическим электричеством, возросли до 500 млн. долларов.
Контролировать уровни залповых выбросов токсикантов важно, как для разработки научных основ прогнозирования экологической ситуации в регионе, так и для развития наших познаний в области характеристики экологических последствий пожаров и взрывов, создания цельной картины о процессах, происходящих непосредственно в очаге поражения и за его пределами, так как, непосредственные замеры выполнить крайне сложно из-за внезапности и непредсказуемости возникновения ЧС. При этом важно осознавать, что количественные показатели экологических последствий ЧС на предприятиях различных отраслей несопоставимы между собой. Поэтому в случае с чрезвычайными ситуациями важен ещё и выбор наиболее значимого для региона объекта исследования.
В Республике Хакасия в районе Минусинской котловины сосредоточены наиболее крупные промышленные предприятия, такие как «Саяногорский алюминиевый завод», «Саянал», Черногорский комбинат «Искож», Усть-Абаканский гидролизный завод «Мебиэкс», которые представляют потенциальную угрозу экосистемам региона. Число чрезвычайных ситуаций, сопровождающихся взрывами и пожарами в Республике Хакасия, как и во всей России,
увеличивается. По данным МЧС России число прогнозируемых технологических аварий в 2004-м году достигнет 600-620, при этом пострадает примерно три тысячи человек и погибнет до тысячи человек. Это примерно в полтора раза больше, чем в 2003-м году. В связи с этим проблемы, поднимаемые в диссертационной работе, крайне актуальны.
Состояние проблемы
Пожары по воздействию на окружающую среду и человека можно рассматривать как источники атмосферных возмущений и изменения климата; генераторы вредных веществ; причину изменения ландшафтов, эрозии почвы, изменения концентрации атмосферных газов, подрыва ресурсов и поступления вредных огнетушащих веществ в воду, почву, атмосферу.
Так при пожарах на нефтяных скважинах, во время военных действий в Персидском заливе в атмосферу выбрасывалось в день: сажи - до 115 тыс. тонн, оксидов азота - 4,6 тыс. тонн, оксидов серы —27 тыс. тонн [178]. Это один из наиболее ярких примеров, показывающий высокую экологическую опасность пожаров.
В России в 2002 г. ежедневно происходило 712 пожаров, на которых в среднем погибало 55 человек, получали травмы 40 человек, огнём уничтожалось 218 строений, 22 единицы техники и 18 голов скота. Ежедневные материальные потери составляли 9,4 млн. руб. [20].
При оценке уровня экологической нагрузки от пожаров в жилом секторе крупных городов Сибирского федерального округа установлено, что в атмосферу городов дополнительно поступает 50-100 тонн токсикантов, что существенно увеличивает экологический риск [43].
Системных исследований региональных экологических последствий пожаров на промышленных предприятиях до сих пор не проводилось. В связи с этим целью настоящей работы стала разработка и реализация комплекса научно-технических предложений по оценке экологических последствий пожаров на промышленных предприятиях республики Хакасия, обеспечивающих снижение экологического риска и предупреждение возникновения ЧС.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить задачи:
1. Выполнить ретроспективный системный анализ экологических и социально-экономических последствий пожаров в республике Хакасия и дать оценку пожарных рисков на промышленных предприятиях Хакасии.
2. Провести экспертную оценку и ранжировать промышленные объекты республики Хакасия по значимости социально-экологических последствий ЧС.
3. Произвести выбор и адаптацию математической модели для оценки распространения экологически значимых факторов пожаров на наиболее опасных промышленных объектах.
4. Исследовать процессы распространения и трансформации продуктов горения на примере углеводородов, оксидов серы и азота, аэрозолей в атмосфере Минусинской котловины и дать оценку дополнительной экологической нагрузки на атмосферу населённых пунктов и заповедных территорий Хакасии.
5. Разработать новое техническое устройство для предупреждения возникновения разрядов статического электричества в технологических процессах заполнения резервуаров жидкими диэлектриками.
Методы исследования
В работе для решения конкретных задач использовались современные методы численного моделирования, экспериментального исследования эффективности применения нового технического устройства и технологические исследования в производственных условиях. Численное моделирование производилось с использованием компьютерных технологий и пакетов прикладных программ.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, подтверждены анализом и теоретическим обобщением большого объёма (за 1988-2002 гг.) фактических данных о пожарах на территории республики Хакасия, сходимостью результатов численного моделирования и экспериментальных исследований уровней загрязнения атмосферы, а также положительным опытом внедрения результатов исследовательской работы в технологическом процессе очистки смазывающе-охлаждающей жидкости производства алюминиевой фольги ОАО «Саянал».
Научная новизна результатов исследований заключается: . • в разработке методики комплексной оценки экологической нагрузки
отдельных территорий, производств и технологических процессов;
• в выборе и адаптации прогностической математической модели, учитывающей пространственные нестационарные процессы переноса и турбулентной диффузии, химических превращений, к залповым аэровыбросам, возникающим при пожарах, которая позволяет определить значения удельной экологической нагрузки на особо охраняемые территории республики Хакасия (Чазы-Оглахты, Очурский бор) и Красноярское водохранилище;
• в установлении возможных химических превращений соединений серы Ф и азота и малых газовых составляющих в атмосфере Минусинской котловины и
выявлении наиболее значимых для прогнозной оценки экологических последствий горения пенополиуретана, сульфированного керосина, органического теплоносителя продуктов экохимических превращений;
• в создании новой конструкции узла для гашения скорости истечения жидкости в резервуар, являющегося гидротехническим устройством, относящимся к технике защиты от статического электричества.
Практическая значимость Результаты прогнозной оценки уровня загрязнения Красноярского водохрани- $К лища и особо охраняемых территорий Минусинской котловины (Чазы-Оглахты,
Очурский бор) аэрозолями и газовыми примесями от залповых выбросов, возникающих при чрезвычайных ситуациях (пожарах) переданы в МЧС республики Хакасия и государственный комитет природных ресурсов и охраны окружающей среды Хакасии, где используются при разработке оперативных управленческих решений и в республиканских программах экологической безопасности.
Изготовлен и внедрён в технологический процесс очистки отработанных
смазывающе-охлаждающих жидкостей при прокатке алюминиевой фольги в
ОАО «Саяиал» узел для гашения скорости истечения жидкости в резервуар.
, Годовой экономический эффект от внедрения разработанного узла более 500
тыс. рублей, что подтверждает акт внедрения.
Научные положения, выносимые на защиту
1. Уровень экологических последствий пожаров определяется особенностями производств и технологических процессов, сосредоточенных на территории республики Хакасия.
2. Особые условия рельефа Минусинской котловины и насыщенность промышленными предприятиями определяют высокие уровни загрязнения атмосферы заповедных территорий (Чазы-Оглахты, Очурский бор) и Красноярского водохранилища залповыми выбросами, сопровождающими пожары, выявленные зависимости распространения, трансформации и выпадения загрязняющих веществ позволяют прогнозировать экологическую обстановку в регионе.
3. В условиях технологических процессов, где обращаются жидкие диэлектрики, для предотвращения накопления статического электричества оправдано применение узла для гашения скорости истечения жидкости в резервуар, предложенное автором и защищенное патентом на полезную модель.
Основная идея работы заключается в том, что экологические нагрузки от залповых выбросов, возникающих при пожарах на промышленных предприятиях, соизмеримы с воздействием стационарных источников промышленных загрязнений и необходимо управлять экологическими рисками, предупреждая их возникновение.
Работа выполнена в соответствии с заказ - нарядами Министерства образования Российской Федерации:
• "Разработка научных и практических основ прогнозирования экологических и социальных последствий чрезвычайных ситуаций (на примере пожаров)", № государственной регистрации 01.2.00101522;
• "Создание критериев оценки техногенных аварий с выбросом сильнодействующих ядовитых веществ по воздействию на экосистемы Байкальского региона и разработка рекомендаций по снижению экологической нагрузки", № государственной регистрации 01.2.00101527.
Пожарная ситуация в современном мире и в России
При наружных пожарах газообмен характеризуется наличием вос ij ходящего потока (столба или движущейся вверх колонки) газообразных продуктов сгорания. Изменить схему газообмена при наружном пожаре невозможно. Газообмен очень интенсивен, так как зависит полностью от внешних естественных газовых потоков - интенсивности и направления ветра. При пожарах происходит прямое действие на человека паров и газов, выделяющихся при пожарах. В случае пожара в природной среде все продукты сгорания поступают в атмосферу. На Земле ежегодно происходят миллионы пожаров, в дымовых газах которых содержатся токсичные продукты горения и разложения различных материалов и веществ [18,74,85]. В частности, в дыме любого пожара содержится оксид углерода. Его концентрация, равная 0,5 %, является опасной для жизни человека, а на пожарах она бывает значительно выше допустимой. В ряде случаев дымовые газы содержат сернистый газ, окислы азота, синильную кислоту и другие сильно токсичные вещества, кратковременное воздействие которых на организм человека даже в небольших концентрациях (сернистый газ 0,05 %, окислы азота 0,025 %, синильная кислота 0,02 %) приводит к летальному исходу [34,74,171]. На открытых пожарах происходит накопление теплоты в газовом пространстве зоны горения. Теплообмен осуществляется практически в неограниченном окружающем пространстве, поэтому температура таких пожаров выше, чем у внутренних пожаров. Зона теплового воздействия определяется преимущественно лучистым тепловым потоком. Воздушные массы во время пожаров нагреваются до температур, превышающих предельно-допустимые для человека. Превышение темпе ратуры нагретых газов над температурой человеческого тела в условиях пожара приводит к тепловому удару. Так, при повышении температуры кожи человека до 42...46 С появляются болевые ощущения (жжение), а температура окружающей среды 60...70 С является опасной для жизни человека, особенно при значительной влажности горячих газов [64]. Не меньшей опасностью, чем повышенная температура воздуха является воздействие теплового излучения на открытые участки тела человека. Так, тепловое облучение интенсивностью 1,1...1,4 кВт-м"2 вызывает аналогичное ощущение, что и при повышении температуры до 42...46 С.
Следует заметить, что человек при температуре 80...100С в сухом воздухе и 50...60С во влажном может находиться без средств специальной защиты непродолжительное время. Более высокая температура и длительное пребывание людей в зоне теплового потока 4 кВт-м 2 (60 ккал-мин-м2) может привести к ожогам, тепловым ударам, потере сознания и летальному исходу. Указанные условия оказывают на окружающие предметы разрушающее воздействие (деформация, воспламенение, обрушение) [140].
При пожарах происходит загрязнение водоёмов огнетушащими средствами. Пена и растворы смачивателей широко используются при тушении пожаров, а затем с ливневыми и талыми водами оказываются в водоёмах, загрязняя их и воздействуя на биоту водоёмов. Применяемые пенообразователи представляют собой поверхностно активные вещества, которые классифицируют по химическому составу, эксплуатационным характеристикам, способности разложения после завершения тушения и поступления в водоёмы [118,141,142].
Таким образом, учитывая устойчивую тенденцию роста общего числа пожаров, а, следовательно, и экологических, экономических и социальных последствий от них, пожары превращаются в значимый экологический фактор, так как, наряду со стационарными источниками загрязнения промышленных предприятий, транспортом, являются источником загрязнения атмосферы, воды, почвы, становятся причиной заболеваемости людей.
Пожары являлись страшным бедствием во все времена, огонь приносил опустошение. История человечества отмечена катастрофическими пожарами, многие из которых уничтожили целые города - Рим (70г. до н.э.), Лондон (1666г.), Москву (1812г.) и Сан-Франциско (1906г.).
Изменились ритмы времени, социальные, технические и научные перевороты изменили облик планеты. Пожары приобрели иной облик, они сейчас приносят все больше проблем, имеющих иную социальную, экономическую и экологическую окраску.
Во время военных действий между Ираном и Ираком в Персидском заливе в 1991 г. пожарами было охвачено 725 нефтяных скважин. Общие потери нефти составляли 230 тыс. тонн в день, выгорело 42 млн. тонн нефти. Дневные выбросы сажи составляли до 115 тыс, тонн, оксидов азота - до 4,6 тыс. тонн, оксидов серы - до 27 тыс. тонн. Облако дыма площадью 15... 150 Га распространилось на расстояния до 1000 км, высота подъёма дыма достигала 6 км. В таких странах, как Ирак, Саудовская Аравия, Турция, Армения, Азербайджан наблюдалось выпадение продуктов горения до 250мгм"2[178].
Анализ литературы [28,85,113,174,184] показывает, что в настоящее время пожары стали серьезной проблемой во многих странах мира и с каждым годом оказывают всё большее отрицательное воздействие на их экономику, экологическую ситуацию, всё чаще угрожают жизни и здоровью людей.
Анализ статистики, показывает, что на планете наблюдается устойчивая тенденция роста числа пожаров, гибели людей [26,152]. В таблице 1.1. приведены данные о распределении пожаров и их жертв по континентам, относящиеся к концу двадцатого века. При этом Евразия для удобства анализа разделена на Европу и Азию, в Австралию включена Океания.
Влияние промышленных предприятий на экологическое состояние региона
Математические модели различной степени сложности используются в настоящее время при решении очень широкого круга задач. Достаточно полный обзор современных моделей, используемых для исследования процессов распространения и трансформации загрязняющих веществ, выбрасываемых в атмосферу при пожарах на предприятиях, выполнен в [6,144-146].
На основе численного решения системы уравнений гидротермодинамики исследовалось распространение взрывоопасных паровых облаков при истечении сжиженного газа [65-67] и загрязнение атмосферы в результате пожаров [50,51]. В работе [13] предложена методика расчета выбросов химических компонентов в атмосферу при лесных пожарах, основанная на нульмерной математической модели, полученной из общей модели лесных пожаров [60] введением допущения о независимости температуры и концентрации компонентов от времени и пространственных координат и гипотезы изобаричности процесса горения лесных горючих материалов. С помощью аналитических и численных моделей, основанных на решениях уравнений Навье-Стокса, исследованы параметры конвективных движений и распространения продуктов горения в атмосфере в результате крупных пожаров [86]. В работе [63] сделана попытка прогнозирования распространения лесного пожара с помощью имитационной модели. Лос-Амламосская модель общей циркуляции атмосферы была применена для исследования распространения дыма в результате нефтяных пожаров в Кувейте [178]. В работе [40] предложены линейные автомодельные решения для определения передней кромки лесного пожара. Авторами работы [41] выведены соотношения для вычисления мощности источника тепла и пассивной примеси по значениям температуры и концентрации в заданной точке пространства. Свободно-конвективное движение облака горячего газа в свободной атмосфере, образование которого происходит в случае ядерного или химического взрыва, лесного пожара или пожара на химическом производстве, рассматривалось в работах [131,132]. Решалась двумерная задача в предположении о локальном термодинамическом равновесии при наличии только молекулярной вязкости и теплопроводности. В исследованиях [5,45,47,51,60,68,79,109] обсуждалась физическая постановка подобных задач. С помощью численной модели [131,132] проводились расчеты теплового излучения огневых шаров, образующихся при взрывах ракет или при крупных авариях химических производств [133-135]. В работе [6,10] на основе полной системы уравнений Навье-Стокса для сжимаемого теплопроводного газа изучалось распространение в приповерхностных слоях атмосферы больших объёмов горячего воздуха взрывного происхождения. Эйлерово-Лагранжев подход был использован для исследований процессов горения в двухфазных турбулентных потоках [15,16]. Динамика формирования и эволюции крупномасштабных вихревых структур в атмосфере в применении к различным задачам теории горения и взрыва исследовалась численно в работах [5,52,170,179,181 182]. Численное моделирование одномерной задачи по воспламенению метанола в случае предварительно перемешанных газовых и газокапельных смесей было проведено в работе [37]. В работе [127] предложена простая сред-необъемная модель пожара в помещении, представляющая собой систему обыкновенных дифференциальных уравнений, описывающих баланс массы компонентов газа и горючего и баланс энергии в системе.
Таким образом, на основании анализа литературных данных можно сделать выводы: 1. В странах мира и в России отмечается устойчивая тенденция роста общего числа пожаров, и, как следствие, экологических, экономических и социальных последствий от них. 2. Пожары превращаются в значимый экологический фактор, так как, наряду со стационарными источниками загрязнения промышленных предприятий, транспортом, являются источником загрязнения атмосферы, воды, почвы, становятся причиной заболеваемости людей. 3. Экологические последствия пожаров многогранны и далеко еще не изучены. 4. В результате интенсификации технологических процессов и концентрации производства вероятность возникновения пожаров на промышленных предприятиях крайне велика, 5. В отличие от стационарных источников загрязнения промышленных предприятий - пожары являются источником залповых выбросов, которые учитывать достаточно сложно, но крайне необходимо, так как экологические последствия от пожаров разнообразны и значимы. 6. В случае пожара на промышленных объектах в атмосферу могут быть выброшены вредные и ядовитые вещества, такие, как оксиды углерода, азота, серы, сажа и т. д., которые при взаимодействии с парами воды и воздуха образуют новые, более токсичные соединения. При этом важно установить закономерности распространения загрязнителей в атмосфере. 7. В настоящее время исследования распространения и трансформации вредных примесей, выбрасываемых в атмосферу при пожарах в республике Хакасия вообще, и на промышленных предприятиях, как самых опасных с социально-экологической точки зрения, в частности, не проводятся. В других российских регионах случаи такого рода исследования единичны и имеют место только после пожаров приближающихся по своим последствиям к понятию экологическая катастрофа. 8. Учитывая то, что проведение инструментальных исследований, постановка экспериментов в реальных условиях сопряжены с определенными трудностями, в современных условиях выбор между инструментальным подходом к оценке экологических последствий от пожаров и численным моделированием данных последствий следует сделать в пользу последнего.
Теоретическое обоснование метода математического моделирования при исследовании распространения и трансформации продуктов горения при пожарах на промышленных предприятиях
Пожары возникают внезапно, неожиданно, предсказать их и подготовиться к ним чрезвычайно сложно. При возникновении пожара все силы тратятся на борьбу с ним для его скорейшего тушения. Для проведения каких-либо инструментальных измерений и исследований нет времени. Отметим, что полученные с помощью приборов ряды значений физических и химических характеристик окружающей среды существенно дискретны в пространстве и во времени. Серьезной проблемой является отделение процессов одного масштаба от процессов другого. В результате суперпозиции различных процессов инструментальными методами трудно оценить вклад каждого из них в отдельности. В результате процессов переноса и диффузии вредные для живых организмов вещества могут переноситься на десятки и сотни километров. Важно установить, как будут распространяться эти примеси в атмосфере.
Исследования распространения и трансформации токсикантов, выбрасываемых в атмосферу при пожарах на промышленных предприятиях, проводились методом математического моделирования. Использовалась нелинейная нестационарная пространственная математическая модель Эйлерова типа, основанная на численном решении уравнения турбулентной диффузии [6,96]. Модель применялась ранее при изучении процессов распространения и трансформации аэрозолей и газовых компонентов, выбрасываемых промышленными предприятиями, расположенными в регионе Южного Байкала и долины Ангары [7,8,11,12], а проведенное сравнение результатов численных расчётов с данными инструментальных измерений показало их удовлетворительное количественное соотношение [6,12]. Модель была использована ранее при расчётах распространения и трансформации углеводородов, соединений серы и азота, оказавшихся в атмосфере Приангарья в результате пожара на АО «Ангарская нефтехимическая кампания» [143-146], а также для количественной оценки осаждения углеводородов, выбрасываемых в атмосферу при пожарах на градообразующих предприятиях Хакасии, на прилежащие особо охраняемые территории [147-151].
Среди промышленных предприятий республики Хакасия по вредному воздействию на окружающую среду, по взрывопожароопасности и в то же время по экономической значимости для бюджетов различных уровней и темпам роста производства выделяются предприятия цветной металлургии. Предприятия металлургической отрасли республики, как стационарные источники загрязнения атмосферы, производят столько выбросов в атмосферу загрязняющих веществ, сколько все остальные отрасли (энергетика, угольная и химическая промышленность, машиностроение, индустрия строительных материалов), т.е. половину всех выбросов в атмосферу республики.
Данные о количественном и качественном составе выбросов в атмосферу от стационарных источников загрязнения ежегодно обобщаются и публикуются в Государственных докладах о состоянии окружающей среды. Таким образом, в этой области мониторинг проводится. В случае же с выбросами от пожаров вообще и от крупных пожаров, которые имели место на предприятиях цветной металлургии республики в частности, исследования не проводятся. Во многом, это происходит из-за отсутствия единства в подходах к значимости этих выбросов для региона и вследствие малой изученности проблемы оценки залповых выбросов.
При выборе конкретной модели для исследования распространения и трансформации загрязняющих веществ, выбрасываемых в атмосферу при пожарах на промышленных предприятиях республики Хакасия, были приняты во внимание следующие соображения. Использованная в работе математическая модель в отличие от одно- и двумерных описывает пространственные нестационарные процессы переноса и турбулентной диффузии различных примесей, как легких, так и тяжелых. Трансформация загрязняющих веществ учтена с помощью 156 химических реакций и 82 реагентов (приложение 5), приведённых в работах [6,96], и 93 реакций (приложение 6) из работ [82,90,97]. Модель реализована методом конечных разностей, который является наиболее экономичным, чем, например, метод конечных элементов. Рельеф подстилающей поверхности задается в узлах регулярной сетки.
Данная модель является прогностической и позволяет проследить изменение характеристик атмосферы с течением времени. Основу математической модели распространения и трансформации примесей в атмосфере составило полуэмпирическое уравнение турбулентной диффузии [6,96]. С учётом начальных и граничных условий уравнение интегрируется в декартовой системе координат с применением метода фиктивных областей. Введение таких областей позволяет вести расчеты с произвольной функцией Ь(х,у), обеспечивая более универсальное применение модели (приложение 7). С помощью описанной модели были проведены исследования распространения и трансформации примесей, выбрасываемых в атмосферу Минусинской котловины при пожарах на промышленных предприятиях Хакасии [147-151]. Исследование процессов распространения и трансформации примесей проводилось в области площадью 140 х 80 км 2 и высотой 3 км над поверхностью Красноярского водохранилища. Шаг по горизонтали составлял 1 км, шаг по вертикали задавался следующим образом: до высоты 300 м он равнялся 50 м, до высоты 500 м - 100м, до высоты 2000 м - 500 м, далее - 1000 м. Шаг по времени варьировался от 150 до 30 с таким образом, чтобы выполнялся первый критерий Куранта. Коэффициенты турбулентной диффузии примесей рассчитывались с использованием соотношений полуэмпирической теории турбулентности [10,96].
Интенсивность выбросов в численных экспериментах первой группы задавалась по результатам пожара, случившегося 12 июля 2000 года на заготовительном отделении (этажерка высотой 54 м) по производству обожжённых анодов Саяногорского алюминиевого завода объединённой кампании «Русский алюминий». Возгорание произошло в результате порыва гофрированного трубопровода с импортным теплоносителем типа «Mobilterm» на выходе насоса, подающего данный теплоноситель в систему подогрева подовой массы в смесительно-прессовом участке. В течение 5 часов было уничтожено более 8 тонн органического теплоносителя и 3 тонны пенополиуретана, а в атмосферу выброшено более 3,5 тонн углеводородов. Расчёты проводились при направлениях ветра, соответствующих восьми основным румбам. Скорость ветрового потока задавалась по результатам усреднения данных Красноярского гидрометеорологического центра и работы [84].
Влияние статического электричества на технологические процессы, безопасность производств и человека
Анализ причин пожаров на предприятиях цветной металлургии республики Хакасия одной из наиболее реализуемых причин их возникновения в технологических процессах с обращением жидких углеводородов является искрообразование в результате разрядов статического электричества. Рассмотрим подробнее процесс образования зарядов электростатики и её влияние на технологические процессы в промышленности.
Статическим электричеством называют электрические заряды, находящиеся в состоянии относительного покоя и распределённые на поверхности или в объёме диэлектрика или на изолированном проводнике. Перемещение зарядов статического электричества в пространстве происходит, как правило, в результате перемещения самих заряженных тел. По своему физико-химическому строению все вещества практически электрически нейтральны, т.е. обладают равным количеством положительных и отрицательных зарядов. Тело является наэлектризованным, если содержит избыток электрических зарядов какого-либо одного знака. Процесс заключается в том, что одно тело приобретает от другого или отдаёт ему электрические заряды преимущественно одного знака. Обмен зарядами между взаимодействующими телами происходит на границе их соприкосновения или вблизи её за счёт сложных физико-химических процессов. Два электрически нейтральных тела, приведённых в соприкосновение, после нарушения контакта между ними могут оказаться наэлектризованными, несущими избыточные заряды противоположных знаков. Мерой электризации является количество электрического заряда, перешедшего с одного тела на другое в ходе их взаимодействия [94].
Наиболее ярко способность к электризации проявляется у диэлектрических материалов [2, 3, 70, 87, 94, 95, 98, 116]. Диэлектриками называются такие вещества, в которых не происходит движения электрических зарядов под действием электрического поля подобно тому, как это имеет место в проводниках. Эти материалы оказывают большое электрическое сопротивление прохождению через них электрического тока. Идеальных диэлектриков, совершенно не проводящих электрический ток, в природе не существует, поэтому проводимость любого диэлектрика не равна нулю. Следовательно, даже самый лучший диэлектрик способен рассеивать заряды, сообщённые ему в результате электризации, однако процесс этот происходит во много раз медленнее, чем в проводниках. Электрические свойства диэлектрика в соответствии с ГОСТ 16185-82 характеризуются удельной объёмной электропроводностью у, См/м, поверхностной электропроводностью ys, См, диэлектрической проницаемостью с, Ф/м, начальной плотностью электростатического заряда О0, Кл/м2,
и полупериодом утечки электростатического заряда Т, с. Поверхностная проводимость может быть существенно выше объёмной за счёт наличия на поверхности диэлектрика всякого рода загрязнений, плёнки влаги с растворёнными в ней различными веществами, часть которых диссоциирует на ионы, что также способствует значительному увеличению электропроводности. Поверхностная электропроводность часто играет определяющую роль, как в самом процессе электризации, так и в ходе рассеяния зарядов [94,98].
Взаимное притяжение разноимённо заряженных и отталкивание одноимённо заряженных тел не оказывают заметного влияния на производственные операции, если зарядившиеся тела имеют значительные размеры и массу. Однако при переработке тонких тканей, нитей, частиц сыпучих и мелкодисперсных материалов силы электростатического взаимодействия могут вызывать нежелательные явления. Так, при осаждении жирных кислот взаимное отталкивание заряженных частиц столь значительно, что некоторые из них оседают по пути и не попадают в бункер. Кроме того, частицы, попавшие в бункер, налипают на его стенки, что затрудняет разгрузку бункера. Налипание заряженных частиц сыпучих и мелкодисперсных материалов на стенки бункеров происходит во многих производствах [70,87,94,95],
В трубопроводах пневмотранспорта мелкодисперсных материалов взаимодействие заряженных частиц между собой и со стенками трубопровода вызывает увеличение концентрации частиц у стенок и, следовательно, повышение сопротивления потоку, снижение производительности пневмотранспортных установок [70].
В текстильной промышленности взаимодействие электростатически заряженных нитей и элементарных волокон делает невозможным нормальное проведение операций при плотности зарядов 6-\0 7 Кл-м"2. В частности, сновку нитей из некоторых синтетических и стеклянных волокон удаётся проводить, только применяя нейтрализаторы статического электричества. При прядении и ткачестве прилипание концов заряженных нитей к заземлённым деталям машин препятствует быстрому устранению обрывов нитей при плотности зарядов 4-Ю 7 Кл-м 2 [87,129]. В производстве стеклотканей взаимное отталкивание образующих нить элементарных волокон вызывает нежелательное увеличение ворсистости уже при плотности зарядов около 3-Ю"7 Кл-м"2. Электростатическое притяжение вызывает интенсивное оседание пыли, имеющейся в атмосфере производственных помещений, на поверхность электризующихся материалов [70,129]. Это ухудшает внешний вид тканей, изготовленных из химических волокон, и электроизоляционные свойства стеклоткани. Особенно большой ущерб наносит вызванное электростатическим притяжением налипание пыли при производстве и переработке полимерных плёнок. Налипшие частицы при прохождении плёнки через вальцы вдавливаются в неё. В производственных условиях обнаружить эти частицы обычно не удаётся, поэтому плёночные конденсаторы часто выходят из строя. Даже в отсутствие пыли сильная электризация тонких полимерных плёнок (5-40 мкм) при их производстве и изготовлении из них плёночных конденсаторов вызывает искровые разряды, образующие в плёнках мельчайшие отверстия. Обнаружить такие отверстия при производстве плёнок также обычно не удаётся. Величина потенциалов зарядов искусственного статического электричества на ременных передачах и лентах конвейеров в различных технологических процессах может достигать 40 кВ, при механической обработке пластмасс и дерева - до 30 кВ, при распылении красок - до 12 кВ [59]. В химической промышленности разряды, вызываемые статическим электричеством, относятся к основным причинам возникновения аварий на химико-технологических объектах [115]. Искрение с поверхности наэлектризованной фотоплёнки вызывает засвечивание её светочувствительного слоя, что обнаруживается после проявления экспонированной плёнки [70,115]. Воздействие статического электричества на организм человека проявляется в виде слабого, длительно протекающего тока либо в форме кратковременного разряда через тело человека. Постоянное ощущение лёгких уколов, вызванных разрядами с сильно электризующихся плёночных материалов и тканей из синтетического волокна, раздражает рабочих. Такое действие тока называют биологическим. Оно проявляется как раздражение и возбуждение живых тканей организма, что сопровождается непроизвольными судорожными сокращениями мышц, в том числе лёгких и сердца. В результате могут возникнуть различные нарушения, и даже полное прекращение, деятельности органов кровообращения и дыхания [14,124].
