Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Постановка проблемы создания безопасности в процессах деревообработки по пылевому фактору и методология ее решения 14
1.1 Запыленность воздушной среды деревообрабатывающих цехов 14
1.2 Процессы деревообработки 16
1.3 Пыль. Термины, определение и классификация 17
1.4 Древесная пыль и ее свойства 19
1.5 Опасность древесной пыли 26
1.6 Пыльность деревообрабатывающих производств 33
1.7 Обеспыливание воздушной среды 36
1.8 Обеспыливание воздуха в процессах деревообработки 42
1.9 Идентификация источников пыли в деревообрабатывающих цехах... 45
1.10 Таксономия и квантификация процессов деревообработки по пылевому фактору 45
1.11 Контроль запыленности воздушной среды. 45
1.12 Гигиенические условия труда деревообработчиков по пылевому фактору 47
1.13 Цель и задачи исследований 49
1.14 Методология решения вопросов проблемы 50
ГЛАВА 2 Основы теории образования, накопления и движения пыли в воздушной среде типового деревообрабатывающего цеха 66
2.1 Характеристика системы "Цех- процессы- запыленность и обеспыливание воздуха-экология-затраты" 66
2.2 Основы теории движения частиц пыли в деревообрабатывающем цехе 68
2.3 Движение облака пыли в воздушной среде цеха 76
2.4 Влияние вентиляции на движение пыли в воздушной среде цеха 80
2.5 Математическое моделирование баланса пыли в цехе 83
Выводы по главе 2 101
ГЛАВА 3 Экспериментальные исследования свойств древесной пыли 102
3.1 Дисперсный состав 102
3.2 Форма частиц древесной пыли 120
3.3 Плотность пыли 124
3.4 Электрический заряд частиц пыли 125
3.5 Слипаемость пыли 127
3.6 Сыпучесть пыли 128
3.7 Оптические свойства древесной пыли 132
3.8 Скорость витания 134
3.9 Распыляемость древесной пыли 138
3.10 Комкуемость пыли 145
Выводы по главе 3 147
ГЛАВА 4 Пылеобразование и запыленность воздуха в процессах деревообработки 149
4.1 Идентификация источников пыли в деревообрабатывающих цехах. 149
4.2 Пылеобразование и запыленность воздуха в цехе 151
4.3 Воздушные потоки и распределение концентрации пыли по высоте цеха 187
4.4 Оседание пыли в цехе 192
Выводы по главе 4 198
ГЛАВА 5 Таксономия и квалификация процессов деревообработки по пылевому фактору 200
5.1 Таксономия процессов деревообработки по пылевому фактору 200
5.2 Квантификация процессов деревообработки по пылевому фактору..215
Выводы по главе 5 227
ГЛАВА 6 Эколого - экономическая оптимизация процессов обеспыливания в деревообрабатывающих цехах 229
6.1 Экологическая безопасность процессов деревообработки в оценке безопасных условий труда 229
6.2 Качество элементов структуры системы "Цех - процессы - обеспыливание воздуха - экология - затраты" 230
6.3 Прогнозирование безопасного стажа работы деревообработчиков...233
6.4 Эколого-экономическая оптимизация структуры системы "Цех -процессы - обеспыливание воздуха - экология - затраты" 239
6.5 Оптимизация процессов деревообработки для снижения запыленности воздуха в цехе, создания безопасности и нормальных условий труда 245
6.6 Экспериментальная модель баланса пыли в ограниченном объеме воздуха цеха 253
Выводы по главе 6 257
ГЛАВА 7 Система управления безопасностью процессов деревообработки 258
7.1 Классификация способов снижения запыленности воздуха 259
7.2 Обеспыливание воздуха в цехах 261
7.3 Контроль запыленности воздуха в цехах 291
Выводы по главе 7 294
Заключение 296
Библиографический список 300
Приложения А, Б, В, Г, Д, Е, Ж 312
- Гигиенические условия труда деревообработчиков по пылевому фактору
- Основы теории движения частиц пыли в деревообрабатывающем цехе
- Воздушные потоки и распределение концентрации пыли по высоте цеха
- Эколого-экономическая оптимизация структуры системы "Цех -процессы - обеспыливание воздуха - экология - затраты"
Введение к работе
Актуальность темы. Деревообработка по объему производства, занятости в ней работающих одна из самых востребованных отраслей промышленности, но по загрязнению тропобиосферы она входит в первую десятку среди всех отраслей промышленности.
В процессах деревообработки запыленность воздуха в цехах превышает нормативное значение в 2 - 5 и более раз. Это обусловлено несовершенством технологического оборудования и зданий цехов, низким уровнем автоматизации процессов, способов уборки рабочих мест и обеспыливания воздуха.
В стране насчитывается более полмиллиона больших и малых деревообрабатывающих предприятий и цехов в других отраслях промышленности с количеством работающих более 3 млн. человек. Однако до сих пор мероприятия по снижению запыленности воздуха на рабочих местах не являются приоритетными и в результате несколько миллионов деревообработчиков до настоящего времени трудятся в условиях, не отвечающих гигиеническим критериям по качеству воздушной среды. Основной загрязнитель воздуха в цехах - древесная пыль. В зависимости от породы деревьев древесная пыль оказывает на организм человека аллергическое, фиброгенное и токсическое действие, вызывая головные боли, дерматиты, кровотечения из носа, горла, заболевания печени, легких, онкологические патологии со смертельным исходом.
Запыленность воздуха занимает первое место среди десяти самых опасных факторов техносферы, но в процессах деревообработки она до сих пор по многим параметрам не изучена.
Для создания безопасности и нормальных условий труда деревообработчиков при воздействии на них древесной пыли, вызывающей более десяти наименований заболеваний различной тяжести и этиологии, необходимы научно -обоснованные данные по идентификации источников пыли, пылеобразованию в цехах, свойствам древесной пыли и их влиянию на пылевые процессы, организм человека и окружающую его среду, динамике запыленности воздуха в зависимости от различных факторов, а также данные о гигиенической оценке условий труда деревообработчиков, таксономии процессов и их квантификационных характеристик, способам и средствам обеспыливания воздушной среды цехов, системе управления безопасностью.
Необходимо уточнить и допустимый уровень концентрации древесной пыли в воздухе рабочей зоны. Нормируемое в настоящее время значение ПДК древесной пыли в воздухе рабочей зоны не обеспечивает безопасные условия труда и безопасный стаж работы без риска профессиональных заболеваний. Отсутствие достаточно полных научно-практических исследований и знаний о вредности древесной пыли приводит к тому, что ее относят к мало опасным веществам, а это не позволяет разрабатывать соответствующие мероприятия по снижению запыленности воздуха в цехах и осуществлять дополнительное финансирование на обеспечение безопасных условий труда и социальных программ.
До настоящего времени в научно-технической литературе в области деревообработки, как одной из основных отраслей промышленности страны, нет фундаментальных исследований по пылевому фактору, нет научно обоснованных разработок по идентификации источников пыли, таксономии процессов по пылевому фактору и их квантификационных характеристик, что не позволяет наиболее полно учитывать пылеобразование как при отдельных операциях, так и во всем цехе и не дает возможности эффективно решать задачи по оптимизации мероприятий, направленных на обеспыливание воздуха, моделирование процессов и оптимизацию структуры системы "Цех - процессы - обеспыливание воздуха - экология - затраты" ( "Ц-П-ОВ-Э-3"), а также на обеспечение безопасных условий труда.
Нет достаточного количества данных по исследованиям свойств древесной пыли, ее научно обоснованной допустимой концентрации в воздухе рабочей зоны. Имеющиеся данные исследований об ее вредности, полученные в 1930-60 годах, не отвечают современным уровням техники, технологии и организации труда, а также гигиеническим характеристикам древесной пыли, имеющих ключевое значение в создании безопасности и условий труда.
Наука и практика не имеют данных о гигиенической оценке условий труда деревообработчиков по пылевому фактору, что не дает возможности относить деревообработку в разряд вредных и опасных отраслей промышленности и прогнозировать безопасный стаж работающим без риска профессиональных заболеваний с соответствующими материальными и социальными гарантиями по возмещению ущерба, наносимому здоровью работающих.
Решение этой актуальной научно-практической проблемы, имеющей важное государственное значение, должно быть направлено на улучшение условий труда в деревообработке, чтобы приблизить эту отрасль к уровню высоких технологий.
Все исследования в диссертационной работе, обусловленные целью и поставленными задачами, выполнялись в рамках государственных целевых программ по охране труда и развитию лесопромышленного комплекса Восточной Сибири. За исходную концепцию приняты положения Федерального закона "Об основах охраны труда в РФ" и ГОСТ 12.3.042, в соответствии с которыми процессы деревообработки должны отвечать требованиям безопасности труда, быть экологически чистыми.
Цель работы - создание фундаментальных научно-теоретических основ по обеспечению безопасных условий труда в процессах деревообработки и разработка эффективной системы управления безопасностью процессов при воздействии на работающих аэрозолей преимущественно фиброгенного действия.
Для ее реализации были поставлены и решены следующие задачи:
• исследовать основные свойства древесной пыли: дисперсный состав, плотность, электрический заряд, форму, распыляемость, скорость витания, ком-куемость и др. и дать ей комплексную оценку с учетом результатов экспериментальных исследований;
• провести анализ разрозненных данных медицинских исследований о воздействии древесной пыли на организм человека и окружающую среду;
• осуществить идентификацию источников пыли в типовом цехе с исследованиями основных их характеристик по пылевому фактору;
• исследовать факторы пылеобразования и их влияние на динамику запыленности воздуха в типовом деревообрабатывающем цехе;
• исследовать условия труда работающих в типовом цехе при воздействии на них древесной пыли и дать им гигиеническую оценку опасности по классам условий труда;
• разработать таксономию и квантификацию процессов деревообработки по пылевому фактору;
• разработать и внедрить в производство научно-обоснованную эффективную систему управления безопасностью в процессах деревообработки по пылевому фактору;
• на основе анализа фундаментальных теорий пылевого фактора в ведущих отраслях промышленности и экспериментальных исследований, обусловленных целью и задачами данной работы, разработать основы теории пылевого фактора в процессах деревообработки,
Объект и методы исследований. Объектом исследований служили древесная пыль сосны, лиственницы, ясеня, дуба и других пород (всего 7), а также оборудование в процессах деревообработки и условия труда работающих по пылевому фактору. Экспериментальные исследования проводились на ведущих предприятиях отрасли в городах: Воронеж, Бийск, Красноярск, Новосибирск, Омск, Чехов, Бийск, Лесосибирск, Стрелка и др.(более 40).
В исследованиях использованы современные методы и технические средства, позволяющие получать адекватные результаты экспериментальных исследований по оценке всех критериев и признаков пылевого фактора в процессах деревообработки. При этом использованы как имеющие методики и приборы, так и разработанные в работе новые методики и средства, применительно к ис следованиям отдельных признаков (направлений) пылевого фактора, позволяющие получать адекватные результаты экспериментальных исследований.
Достоверность полученных результатов. Установление представительности анализов, позволяющие получать достоверные результаты по запыленности воздуха в зависимости от факторов, и других видов исследований, определенных этой работой, осуществляли с учетом требований ГОСТ 12.1.016.
В исследованиях использованы современные теории и технические средства для обработки результатов экспериментов, позволяющие адекватно оценивать итоги количественного и качественного анализа.
Научная новизна работы:
• исследована научно-техническая и социальная проблема по созданию безопасности и нормальных условий труда в процессах деревообработки по пылевому фактору, отличающаяся тем, что она впервые рассмотрена на научно- техническом уровне по десяти направлениям проблемы с учетом комплексного подхода к решению задачи;
• процессы деревообработки рассмотрены как объект многокритериального управления безопасностью труда по пылевому фактору, отличающиеся тем, что на основе системного анализа и квантификационных оценок определены и учтены факторы, влияющие на динамику запыленности воздуха в цехах и степень опасности процессов деревообработки;
• экспериментальным путем определены адекватные характеристики целого комплекса свойств древесной пыли по дисперсному составу, форме, электро-заряженности, плотности, распыляемости и т.д. семи пород Сибири и Дальнего Востока, в том числе аэрогеля и красного дерева "bucoumea";
• результаты исследований по впервые осуществленной детальной идентификации источников пыли в типовом деревообрабатывающем цехе с характеристиками пылеобразования и их квантификационной оценкой;
• разработаны математические модели динамики запыленности воздуха в деревообрабатывающих цехах, отличающиеся тем, что в них учтено влияние всего комплекса пылевого фактора (более десяти);
• обоснованы с учетом разработанной таксономии процессов деревообработки по двенадцати наиболее существенных признаков пылевого фактора и их квантификационной оценкой подходы к решению оптимизационных задач по обеспечению безопасности и экологичности процессов;
• определены величины пылевых нагрузок для работающих на основных типах рабочих мест (более двадцати) с прогнозированием для них безопасного стажа работы на основе разработанной методики оценки условий труда и предложенной классификации процессов;
• разработан прибор скоростного контроля запыленности воздуха в цехах, отличающийся тем, что позволяет сокращать продолжительность анализа одной пробы запыленного воздуха с трех суток до трех минут, в десятки раз снижать стоимость одного измерения и применять в любом помещении, на любой высоте;
• результаты экспериментальных исследований на опытной централизованной установке (ЦПУ) по уборке рабочих мест и помещения цеха в целом, впервые осуществленные в деревообработке, данные параметров ЦПУ и рекомендациями по их изготовлению;
• разработаны система управления безопасностью процессов деревообработки по пылевому фактору как объект многокритериального оптимального управления безопасностью условий труда работающих и программа для ЭВМ по эколого-экономической оптимизации структуры системы "Цех - процессы - обеспыливание воздуха - экология - затраты" для создания безопасности и нормальных условий труда в деревообрабатывающих цехах.
Практическая значимость. Практическую значимость представляет разработанная система управления безопасностью процессов деревообработки по пылевому фактору и их эколого-экономическая оптимизация с применением ЭВМ, позволяющая учитывать весь комплекс пылевого фактора и свойств древесной пыли основных пород Сибири и Дальнего Востока с учетом разработан ной многокритериальной таксономии процессов.
Разработанная система управления безопасностью процессов позволяет снизить запыленность воздуха в цехах в 2-5 раз. Она внедрена на Воронежской мебельной фабрике, Новосибирском мебельном предприятии ОАО "Большевик", Омской мебельной фабрики № 1 и др., а также используется в учебном процессе.
Научные положения и результаты работы, выносимые на защиту:
• результаты исследований комплекса основных свойств древесной пыли семи пород Сибири и Дальнего востока, в том числе аэрогеля и красного дерева "bucoumea" с ее комплексной оценкой вредного вещества;
• результаты исследований по идентификации источников пыли и их кван-тификационные характеристики по пылеобразованию;
• многокритериальные математические модели, характеризующие динамику запыленности воздуха, распределение концентрации пыли в воздушной среде типового деревообрабатывающего цеха;
• разработанная таксономия процессов деревообработки и их квантифика-ционная оценка по двенадцати наиболее существенным признакам пылевого фактора;
• величины пылевых нагрузок для работающих на основных типах рабочих мест с прогнозированием для них безопасного стажа труда без риска профес-сиональных заболеваний с учетом разработанной методики гигиенической оценки условий труда и таксономии процессов по пылевому фактору;
• прибор, адаптированный на древесную пыль, позволяющий в десятки раз снижать затраты на контроль запыленности воздуха в цехах;
• методика эколого-экономической оптимизации структуры системы "Ц-П-ОВ-Э-3" с программой для ЭВМ по решению оптимизационных задач при проектировании деревообрабатывающих цехов с заданными критериями качества воздушной среды цеха и безопасными условиями труда;
• результаты экспериментальных исследований на опытных централизо ванных установок (ЦПУ) по уборке рабочих мест и помещения цеха в целом, впервые осуществленные в деревообработке, данные параметров ЦПУ и рекомендациями по их изготовлению;
• практические решения и рекомендации производству по снижению запыленности воздуха в цехах;
• система управления безопасностью труда по пылевому фактору в процессах деревообработки;
Апробация работы. Основные результаты работы были доложены на 18 всесоюзных и всероссийских научно-практических конференциях, на ежегодных региональных научно-практических конференциях "Проблемы химико-лесного комплекса" и региональных конференциях.
Экспериментальные исследования выполнены на кафедрах охраны труда ВЛТИ, СибГТУ, в лабораториях обеспыливания воздуха ЛНИИОТа, НИИО-ГАЗа.
По разработанным методикам было реализовано 55 научно-исследовательских проектов, отдельные из которых отмечены дипломами в республиканских и региональных конкурсах студенческих работ. Разработанные инженерно-технические мероприятия по снижению запыленности воздуха были апробированы на предприятиях Красноярска, Воронежа, Омска, Тулы и др. городов.
Публикации. Результаты исследований по теме диссертационной работы опубликованы в 44 изданиях, в том числе в трех монографиях, 5 учебных пособиях, в каталоге всесоюзной выставки «Охрана труда» на ВДНХ при экспонировании разработанного фотопылемера.
В центральных журналах опубликовано 16 статей, из них в изданиях, рекомендованных ВАК, -12.
Структура и объем работы. Диссертация содержит введение, 7 глав, заключение, библиографический список из 205 наименований и 7 приложений.
Работа изложена на 312 страницах текста, включая 75 таблиц, 88 рисунков.
Гигиенические условия труда деревообработчиков по пылевому фактору
Пыль проникает в организм тремя путями: через органы дыхания, кожу и глаза. Существенную защитную роль при этом играют верхние дыхательные пути. Содержащиеся в слизи носа муцин и лизоцим обезвреживают микроорганизмы, которые попадают на слизистую оболочку вместе с пылью. Здоровый организм при этом задерживает около 90% пыли [36]. Действие пыли на верхние дыхательные пути зависит от состава, формы, концентрации и растворимости пыли. Твердые пылинки с игловидной формой легче внедряются в слизистые, вызывая их изменение. Каких-либо сведений по этому аспекту в отечественной научной литературе найти не удалось.
Публикации о воздействии древесной пыли на кожу крайне ограничены. По одним данным следует, что древесная пыль, особенно пород красного дерева, поражает участки кожи, вызывая покраснения кожи шеи, подмышечных впадин и пограничных с ним участков тела, не прикрытых одеждой, а также экзематозные кожные высыпания, дерматиты [58, 56]. Есть сведения, что раздражение кожи приводит к развитию рака [11].
Из анализа литературных источников следует, что влияние древесной пыли на глаза подробно не изучено. Можно выделить механическое воздействие, когда пылинки игловидной формы вты каются в мягкие ткани глаз, а также воздействие от пыли токсичных пород, вы зывающее сильное слезотечение, сопровождающееся головными болями и дру гими недомоганиями. Следовательно, древесная пыль, с ее острыми краями, может вызывать эти недомогания различной тяжести. Другие виды воздействия и заболевания. В последнее время зару бежные исследователи активно обсуждают возможность заболевания, вызы ваемое древесной и другими видами пыли под названием криптогенный фибро зирующий альвеолит (КФА) - заболевание интерстициальной ткани легких. По данным D.B. Coultras, R.E. Zurnwalt, W.C. Black и R.E. Sobonya КФА поражает 20 из 100 000 взрослых [127]. Заболевание характеризуется прогрессирующим сухим кашлем и ограничением функции легких. КФА чаще страдают мужчины, чем женщины, а пожилые чаще, чем молодые. При этом М. Turner-Warwick, А. Burrows и A.Johnson [129] установили, что медианная продолжительность выживания после постановки диагноза составляет около 5 лет. Причины такого воздействия до сих пор неизвестны. Так, R. Hubbard, К. Richards, S. Lewis, I. Johnson, J.Britton [128], изучая воздействие древесной и металлической пыли на организм человека, пришли к выводу, что КФА может быть вызван профессиональными воздействиями, в частности контактом с древесной пылью.
Английские ученые проводили свои исследования в девяти центрах, в которых было выявлено 244 случая КФА. Средний возраст 218 больных составил 66,6 (±11,3 года). Мужчин было 149 (68%), женщин - 69 (соотношение 2,16/1). При анализе материалов они выяснили, что 151 (69%) человек был болен на момент начала исследования, 67 (31 %) больных были выявлены в ходе исследования. Свои исследования ученые увязали с курением, установив, что 77% больных и 71% пациентов контрольной группы курили когда-либо в течение жизни.
При выявлении контакта рабочих с металлической и древесной пылью выяснилось, что древесная пыль вызывала изменения в легких на 2 года позднее (47,5 лет), чем металлическая (45.5 лет). При этом риск заболеть у дерево-обработчиков составил 5-10%, а у металлообработчиков-10-13%. Эти же ученые изучили воздействие на организм человека пыли различных пород деревьев с целью выявления риска заболевания КФА (таблица 1.3), выявив, что древесная пыль вызывает как обструкцию дыхательных путей [130], так и внешний аллергический альвеолит, что может быть обусловлено как влиянием грибов и плесеней, содержащихся в древесине, так и экспозицией изоцианатов в процессе ее обработки [132]. Ученые заключают, что в их исследовании только контакт с сосновой пылью ассоциировался с КФА. Воздействие сосновой пыли может быть причиной КФА, однако возможно также, что это воздействие является маркером для других воздействий, которым человек подвергается при ра 32 боте с древесиной. Например, плотники могут также работать с асбестовым полотном, а краснодеревщики подвергаются воздействию многих растворителей. Обнаружение значимой ассоциации между КФА и курением противоречит результатам их "пилотного" исследования [133], однако подтверждается более ранним сообщением [134], а также высокой частотой курения в серии клинических исследований [135].
В заключение английские ученые считают, что данные исследований являются новым подтверждением того, что КФА наблюдается в ассоциации с воздействием древесной пыли. Суммарный относительный риск, связанный с таким воздействием, составляет в их исследованиях около 20% - это свидетельствует о том, что существенная доля случаев КФА и, возможно, около 1000 смертей от КФА в Англии и Уэльсе в год [137] могут быть предотвращены посредством ограничения контактов с этим видом пыли. Кроме того, они считают, что в большинстве случаев причина КФА остается необъяснимой, а их результаты ставят под сомнение представление о том, что КФА - заболевание неясной этиологии.
В Германии более пяти лет в середине 1990-х годов велись исследования о воздействии древесной пыли на верхние дыхательные пути. S. Praast [36] констатирует, что деревообработчики ежегодно заболевают опухолевыми заболеваниями носа. Несмотря на это, канцерогенное воздействие древесной пыли не доказано до сих пор. По мнению немецких ученых вещества, входящие в состав древесной пыли, не являются канцерогенными. Однако, если учесть поражение рабочих раковыми заболеваниями, которые проявляются, как правило, к 25 или ожидаются примерно к 40 годам, то, скорее всего, это связано с генетическими проявлениями в состоянии здоровья человека. Таким образом, к началу нового тысячелетия ученые мира не пришли к единому мнению о вредности древесной пыли. Имеющиеся сведения только приоткрывают возможные пути ее воздействия на организм человека. При этом более изучено воздействие пыли на кожу, а другие виды - ждут продолжения исследований. Однако и эти исследования дают представление о десятке негативных проявлений в состоянии здоровья человека от воздействия древесной пыли, которые объединены в показательный блок (рис. 1.3). По ним можно сделать вывод, что древесную пыль необходимо отнести к веществам 3-го класса опасности, а не к 4-му, как это регламентировано ГОСТ 12.1.005.
Основы теории движения частиц пыли в деревообрабатывающем цехе
В настоящее время в России действуют два документа ГОСТ 12.0.002 [185] и Р 2.2.755 [92], регламентирующие понятие «Условия труда». В соответствии с [92] условия труда по степени их вредности и опасности подразделяют на 4 класса и 4 степени. Фактор, определяющий рассматриваемую проблему в этих Р, носит название - аэрозоли преимущественно фиброгенного действия.
Из анализа научной литературы по деревообработке следует, что к началу нового века в России научных исследований по какой-либо классификации условий труда деревообработчиков по пылевому фактору никто не осуществлял. Отдельные труды, названные выше, касаются только технических аспектов пы-леобразования на станках, но не рассматривают какую-либо классификацию условий труда. Работы [22-23], хотя и посвящены гигиенической оценке условий труда в лесопильных и «столярных» цехах, отражают чисто медицинские исследования по заболеванию рабочих пневмокониозом, и они написаны почти полвека назад, когда были совершенно другие условия труда.
Все исследования, проведенные различными авторами, сводятся к установлению ее средних концентраций в воздухе рабочей зоны, в них никак не обсуждается гигиеническая оценка условий труда по пылевому фактору с учетом пылеобразования, рода пыли, ее химического и дисперсного состава, формы пьшинок и более десяти других факторов и свойств пыли. В настоящее время в специальной научной литературе практически не имеется исследовательских работ по этому направлению.
Таким образом, исходя из изложенных выше сведений, следует, что: в настоящее время в России в деревообработке и на предприятиях, где имеются деревообрабатывающие цехи, занято более 3-х млн. человек и большинство из них работают во вредных условиях труда с повышенной запыленностью воздуха, в научной литературе нет сведений о воздействии древесной пыли на ок ружающую среду, а наука и практика не имеют данных о гигиенической оценке условий труда деревообработчиков по пылевому фактору, что не дает возмож ности квалифицировать их труд как вредное производство и прогнозировать безопасный стаж работы без риска профессиональных заболеваний с соответ ствующими материальными и социальными гарантиями по возмещению ущер ба, наносимому здоровью работающих; почти все процессы деревообработки сопровождаются образованием большого количества пыли, которая, попадая в воздушную среду цехов и в тро побиосферу, вызывает взрывы, пожары, заболевания и другие негативные по следствия. Однако в научной литературе крайне ограничены или отсутствуют сведения о создании безопасности и нормальных условий труда, что не дает возможности на научно обоснованном уровне эффективно решать задачи по их созданию; древесная пыль, как вредное вещество, влияет на многие явления и процессы, однако 35 ее свойств изучены недостаточно или вовсе никем не исследовались. Отсутствие достаточно полных результатов исследований и знаний о вредности древесной пыли приводит к тому, что ее относят к мало опасным веществам и это является основанием для работодателя не разрабатывать мероприятия по снижению запыленности воздуха в цехах и осуществлять дополнительное финансирование на обеспечение безопасных условий труда; на большинстве предприятий отрасли запыленность воздуха превышает нормативное значение в 1-5 и более раз. Однако в литературе нет достаточных исследований о динамике запыленности воздуха в цехах в зависимости от каких-либо факторов, что не позволяет на научном уровне решать задачи по моделированию процессов со снижением запыленности воздуха и созданию безопасности как на проектном уровне, так и в действующих цехах; в теории и практике нет теоретических основ пылеобразования, накопле ния и движения пыли в воздушной среде деревообрабатывающего цеха, недостаточно исследован механизм образования пыли от различных источников, нет методики оценки степени пыльности технологических операций, процессов и производств, нет научно обоснованных разработок по идентификации источников пыли, таксономии процессов по пылевому фактору и их квантификацион-ных характеристик, что не дает возможности на научной основе решать оптимизационные задачи по проектированию цехов, осуществлять моделирование процессов и эколого-экономическую оптимизацию структуры системы "Цех -процессы - обеспыливание воздуха - экология - затраты" и разработку мероприятий по созданию безопасных условий труда; как в практике, так и в научной литературе нет данных исследований о способах и средствах контроля запыленности воздуха в цехах. Все это определило цель и задачи настоящей работы. Учитывая изложенные выше, цель настоящей работы - разработка фундаментальных научно - теоретических основ по созданию безопасности и нормальных условий труда в процессах деревообработки при воздействии на работающих аэрозолей преимущественно фиброгенного действия путем снижения запыленности воздуха до значений менее ПДК.
Для ее реализации были поставлены и решены следующие задачи. Разработка научно-теоретических основ пылевого фактора в процессах деревообработки с изучением механизма пылеобразования при технологических операциях, накопления и движения пыли в пространстве типового деревообрабатывающего цеха с исследованием операций, процессов по степени их пыльности с идентификацией, таксономией и квантификацией источников пыли и процессов деревообработки по пылевому фактору.
Воздушные потоки и распределение концентрации пыли по высоте цеха
Деревообрабатывающий цех имеет ограниченное пространство, особенно если в нем перегородками ограничены отдельные участки. Свойство распространения облака в ограниченном пространстве изучали многие ученые, дав свои выводы. Поэтому на первоначальном этапе исследований были использованы известные в аэродинамики уравнения зависимостей. Например, когда облако движется в ограниченном пространстве, полностью заполняя его, обтекание облака потоком воздуха физически невозможно, и оно надолго зависает в воздухе, определяя запыленность воздушной среды. Такую характеристику движения облака пыли, по нашим наблюдениям, имеют участки шлифования щитов, когда станки стоят вблизи стен при угловом расположении станков при отсутствии вытяжной системы вентиляции. В этом случае пространство цеха ограничено, а в воздушную среду поступают все новые и новые пылевые шлейфы, пылевое облако в целом зависает в воздухе, создавая в нем повышенную запыленность воздуха. Так, результаты наших исследований показывают, что более всего заметно образование пылевых облаков при шлифовании щитов на ленточных станках ШлПС, когда из-под ленты со щита срывается пылевое облако с размерами в длину от 500 до 1500 мм и углом движения в горизонтальной и вертикальной плоскостях до 30.
Еще более заметны срывы пылевых облаков при укладке щитов броском на подстопное место после их шлифования (глава 4). Это происходит из-за того, что подстопные платформы не имеют самоподъемных лотков. Из наших наблюдений следует, что после такой операции пылевое облако достигает наи-больших размеров в диаметре до 1500 мм в зависимости от высоты броска щита и его размеров (фото в гл. 3 и 4). Облака пыли рассеиваются за 3-5 мин, если не возникает новое облако после очередного броска щита. Запыленность воздуха при этом превышает ПДК в 3-5 раз, а наиболее крупные пылинки оседают в радиусе до двух метров.
Итак, сказанное относится к тому случаю, когда движение пыли происходит с постоянной скоростью, а на частицы действуют только силы тяжести. В действительности же на них действует ряд сил, меняющихся по величине и направлению. Для изучения этого вопроса нужны отдельные фундаментальные исследования, посвященные исключительно теоретическим аспектам движения пыли и пылевых облаков в различных по конструкции цехах в отрасли.
Эффективность вентиляции помещений и процессы воздухообмена изучали многие исследователи, решившие ряд проблем в аэродинамике помещений. Так, В.В. Батурин [89] доказал, что расположение вытяжных отверстий существенно влияет на распределение воздушных потоков и концентрации пыли в объеме помещения, что иллюстрируется отдельными примерами (рис.2.3). Однако это справедливо, на наш взгляд, для воздушной среды с газовым загрязнителем, но не с пылью. Если следовать Г.А. Максимову [75], предположившему, что воздух в помещение поступает через всю площадь одной из торцевых стен, а удаляется через отверстие в противоположной стене (рисунок 2.3 а), то поток приточного воздуха заполняет все пространство, образуя незначительные по площади вихревые зоны, и, по-видимому, при достаточно большой длине цеха место расположения стока (по высоте) не внесет существенных изменений в общую картину течения воздушных потоков с пылью. То же самое можно предположить и при вентилировании цеха «снизу-вниз» или «сверху-вверх», когда пространство, заполненное «свежим» воздухом (основной массой струи), наименьшее и около него образуется не только вихревое движение присоединенной массы, но и вызванное им вторичное кольцо циркуляции (рис. 2.3 в-г). При симметричном расположении приточного и вытяжного отверстий, как утверждает Г.А. Максимов, основная масса пыли в облаке отклоняется то к одной, то к другой боковой поверхности (рис. 2.3 д- г). Если приточные и вытяжные отверстия расположить с одной стороны помещения (рис. 2.3 ж), то
Схемы движения пыли в воздухе вентилируемых цехов болыную часть его займет основная масса чистого воздуха. Площадь соприкосновения ее с циркуляционным током гораздо больше, чем в схемах на рисунках 2.3 6-е, что гарантирует быструю смену воздуха и лучшее качество воздушной среды в зоне вихря. Если в цехе устроены два приточных отверстия с одной стороны (рис. 2.3 з), то наблюдается образование парного вихря.
Однако эти предположения возможны в цехах большой высоты и не имеющих эксгаустерной системы с большим количеством ответвлений, оканчивающихся своими всасывающими приемниками. Поэтому в деревообрабатывающем цехе должна быть несколько иная картина распределения вихревых зон, чистого и запыленного воздуха. Следовательно, необходимы отдельные фундаментальные исследования процессов, протекающих в воздушной среде деревообрабатывающих цехов с учетом специфики производства для создания общей теории движения пыли и пылевых облаков в деревообрабатывающих цехах. В данной работе на первом этапе осуществлены экспериментальные исследования по течению воздушных потоков. Их результаты изложены в главе 4.
Пылеобразование, движение и накопление пыли в цехе можно оценивать и по пылевому балансу, который моделируют для какой-либо унифицированной системы или для конкретного цеха. Такие модели пылевых балансов позволяют на научной основе разрабатывать эффективные мероприятия по снижению пы-леобразования и запыленности воздуха в цехах.
Из проведенных нами исследований следует, что на механизм пылеобразо-вания и поступление пыли в пространство цеха влияют 14 источников (рис.2.4) и вторичных побудителей (глава 4). В зависимости от типа производства эти источники обеспечивают значительное пылеобразование. Если станки имеют эффективную аспирацию, то количество пыли, поступающей в циклоны, достигает 80-90%. Однако большинство деревообрабатывающих станков только на 10-40 % улавливают пыль (глава 4). Следовательно, до 90-60 % отходов поступает в цех или от 1,2 до 468 кг/час. Количество пыли в них зависит от типа режущего инструмента и станка. Например, на фрезерных станках это количество равно не 1,2 кг/ч, а только 10% или 0,12 кг/ч. Зато калибровально-шлифоваль-ные станки дают все 100% отходов в виде пыли, т.е. 468 кг/ч (глава 4) и [32]. При этом концентрация пыли будет тем более, чем более в цехе позиционных станков с ручной укладкой деталей и отсутствием систем приточно-вытяжной вентиляции.
Второе место в пылевом балансе и формировании запыленности воздушной среды цехов занимает процесс уборки рабочих мест. В настоящее время в деревообработке все еще применяют ручную пылеуборку, которая порождает запыленность воздуха, превышающую ПДК в 5-15 раз ( глава 4). Применение альтернативной пылеуборки с помощью ЦПУ и эффективной аспирационной системы для отвода отходов в циклон приводит к минимальным значениям накопления пыли и запыленности воздуха в цехах.
Работа вентиляционных систем существенно влияет на динамику запыленности воздуха, движение пыли в пространстве цеха, ее баланс в цехе и оседание на различные поверхности. Из предварительных исследований в производственных цехах следует, что применение эксгаустерных установок для улавливания пыли из зоны ее образования на станках приводит к минимальному попаданию пыли в пространство цеха и к снижению содержания пыли в воздухе, как основной составляющей в балансе пыли при оценке запыленности воздуха.
Эколого-экономическая оптимизация структуры системы "Цех -процессы - обеспыливание воздуха - экология - затраты"
Например, положительно заряженных частиц у пыли дуба (опыты 1-3) - 47%), у пыли ясеня (опыты 4-5) - 45%, а у пыли красного дерева (опыты 7-8) - 46%. Такое же соотношение у частиц с отрицательным зарядом. Проведенные эксперименты при шлифовании щитов разными номерами шкурки показали, что на это соотношение номер шкурки не оказывает заметного влияния: расхождение результатов в экспериментах в пределах тех же 1-2%. Следовательно, номер шкурки на знак заряда практически не влияет. Из сравнительных данных, полученных профессорором ЛТА О.Н. Русаком, следует, что имеются незначительные расхождения с полученными в этой работе данными по электрозаряженности древесной пыли.
Одновременно с нашими работами исследованиями электризации в процессах резания древесины занималась группа специалистов, изучавшая влияние операции резания на электрозаряженность древесных частиц [91]. По своим ультрамикроскопическим исследованиям электрозаряженности древес 127 ной пыли они делают вывод о том, что независимо от породы древесины пылинки заряжаются положительным, отрицательным зарядами и могут быть нейтральными. Процентное соотношение частиц, несущих определенный заряд, -отмечают они, - не остается постоянным и колеблется в широких пределах. Так, при обработке фрезерованием ясеня в воздухе рабочего места зафиксировано присутствие частиц, заряженных отрицательно (56%), положительно (34%) и нейтрально (10%). Их окончательный вывод: одна и та же древесная пыль, при различных условиях образования и условиях окружающей среды, изменяет число частиц, несущих заряды определенного знака. Такое заключение соответствует и нашим выводам.
Результаты серии экспериментов, осуществленных методом разрывной прочности с пылью сосны, лиственницы, березы, ясеня, дуба, красного дерева и аэрогеля по методике, как описано в п. 1.14.3, показали, что древесная пыль по общепринятой в пылевой технике классификации относится к группе сильно слипающихся видов пыли (таблица 3.7). Более других слипаема пыль березы.
Это объясняется, прежде всего, тем, что по структуре частицы волокнисты и с ворсистой поверхностью. Такое свойство пыли березы хорошо иллюстрируется микроскопическими исследованиями препаратов пыли различных пород деревьев при изучении формы частиц (рис. 3.13г).
Слипаемость пыли хвойных пород сосны и лиственницы практически одинакова как в полидисперсном составе, так и по фракциям. Расхождение в значениях составляет ± 1- 2% (таблица 3.8). Значения слипаемости растут в сторону увеличения крупности частиц. Например, если слипаемость пыли березы у частиц с размерами менее 50 мкм составляет 690 Па, то у частиц с размерами 50-63, 63-199 и 100-150 мкм, соответственно, выражается значениями 692, 695 и 698 Па. Такая же закономерность прослеживается у пыли всех других пород деревьев (таблица 3.8). Таким образом, древесная пыль, независимо от размерных фракций, относится к сильнослипающимся видам пыли, входящей в группу слипаемости IV. Свойство слипаемости используют в различных областях знаний. В деревообработке - это расчет пневмотранспорта, обеспыливающих установок. Однако в большей части это свойство древесной пыли необходимо учитывать при проектировании ЦПУ для уборки цехов и выборе пылесосных сопел. При этом для расчетов следует ориентироваться на среднее значение слипаемости древесной пыли - 692 Па. Из обсуждения результатов 12-ти серий экспериментов (6 опытов в каждой), осуществленных по методике, описанной в п. 1.14.3, следует: - скольжение древесной пыли затруднено из-за того, что частицы пыли не имеют гладких поверхностей, а их края изрезаны, ворсисты; - значения динамического угла естественного откоса (ДУео) укладываются в границах 60 - 80, а статического (СУео) - 60 - 64 (рис. 3.16-3.20); - наименьшим скольжением обладает пыль березы и ели, у которых ДУео составляет 80, а СУео — 66 (рис. 3.16). Это обусловлено формой пылинок и состоянием их краев; - расхождение значений углов по породам не так велико. Например, значение ДУео у пыли красного дерева (bucoumea) 68, а у пыли березы - 80 . Это означает, что пыль березы обладает меньшей сыпучестью, так как края частиц пыли сильно ворсисты. Пыль хвойных пород менее сыпуча, чем пыль лиственных пород, у которых значения как ДУео (68-80 и 60), так и СУео (63 и 65) более, чем у хвойных деревьев (рис. 3.19); - в зависимости от фракционного состава значения углов откоса увеличиваются у всех пород с увеличением размера частиц (рис. 3.18- 3.20). Так, если у пыли ясеня с размером частиц 50 мкм ДУео составляет 65 , то у частиц с размерами 50-63, 63-100 и 100-150 мкм он равен, соответственно, 68, 70 и 72; - влияние размера частиц на величину ДУео и СУео по разным породам описывают полиномиальные уравнения второго порядка: для сосны у2 =6х + 63,5 с R2 =0.97; для лиственницы yl = х + 0.8х + 58.5 с R =0.94 (рис. 18 а). Аналогичные модели процесса сыпучести пыли описываются полиномами: для аэрогеля у= 1.75х2-4.65х + 76.25 с R2 =0.97 (рис. 3.18 6) и для лиственных деревьев у = 0.5х +0.ІХ + 77.5 с R =0.99 (рис. 3.17). Отсюда следует, что такие модели адекватно отражают реальные процессы сыпучести пыли. В целом древесная пыль обладает малой сыпучестью. Меньшей сыпучестью обладает пыль березы, затем следуют пыль лиственницы, сосны, красного дерева и ясеня. Это означает, что при проектировании обеспыливающих установок следует учитывать и это свойство, при этом рекомендуется брать средние значения углов откоса в 80 и 65.
