Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Аналитический обзор и выбор направления исследований 10
1.1. Обзор существующих классификаций пыли по дисперсности в задачах экологической безопасности 10
1.2. Анализ существующих методов описания дисперсного состава пыли, поступающей в инженерно-экологические системы и выбросы в атмосферу предприятий стройиндустрии 15
1.2.1. Представление результатов в виде графиков для описания дисперсного состава пыли 15
1.2.2. Табличное представление данных распределения размера 19
1.2.3. Аналитическое описание дисперсного состава пыли 21
1.3. Использование логарифмически-нормального закона распределения размеров частиц при оценке пылевой обстановки 32
1.4. Анализ существующих методов определения дисперсного состава пыли и обработки результатов 38
1.5. Подходы к нормированию качества атмосферного 52 53
воздуха в мире и Российской Федерации 49
1.6 Выбор направления исследования Выводы по первой главе
ГЛАВА 2. Методические основы исследования дисперсного состава пыли в выбросах в атмосферу 54
2.1. Значимость дисперсности пыли при решении экологических задач 54
2.2. Результаты исследования эффективности оборудования при проведении дисперсного анализа пыли в выбросах в атмосферу 55
2.3. Основы методики исследования дисперсного состава пыли в выбросах в атмосферу 60
2.4. Анализ дисперсного состава пыли методом седиментрии 72
Выводы по второй главе 80
ГЛАВА 3. Теоретические и практические исследования дисперсного состава пыли в выбросах строительных производств 81
3.1. Расчёт интегральных кривых методом аппроксимационного представления функций дисперсного состава пыли 81
3.2. Метод оценки дисперсного состава пыли в выбросах в атмосферу с применением метода «рассечения» 89
3.3. Обоснование выбора диаметра «рассечения» при исследовании пыли на крупные и мелкие фракции 93
3.4. Анализ результатов дисперсного состава пыли для источников выбросов и загрязнения на предприятиях стройиндустрии 99
3.5. Использование результатов дисперсного состава пыли в воздухе жилой зоны для определения концентраций РМ10
и РМ2,5 106
Выводы по третьей главе 111
ГЛАВА 4. Практическая реализация результатов исследований 112
4.1. Методика определения концентрации РМ10 и РМ2,5 в выбросах предприятий по производству строительных материалов 112
4.2. Использование метода «рассечения» при анализе выбросов пыли производств строительных материалов 117
4.3. Оценочная стоимость проведения анализа дисперсного
состава пыли 125
Выводы по четвертой главе
127
Заключение 128
Бибдиографический список 130
- Анализ существующих методов описания дисперсного состава пыли, поступающей в инженерно-экологические системы и выбросы в атмосферу предприятий стройиндустрии
- Результаты исследования эффективности оборудования при проведении дисперсного анализа пыли в выбросах в атмосферу
- Метод оценки дисперсного состава пыли в выбросах в атмосферу с применением метода «рассечения»
- Использование метода «рассечения» при анализе выбросов пыли производств строительных материалов
Анализ существующих методов описания дисперсного состава пыли, поступающей в инженерно-экологические системы и выбросы в атмосферу предприятий стройиндустрии
Дисперсность — это степень измельчения вещества, мкм (микрометр 10-6 мм). Под дисперсным составом понимают распределение частиц пыли по размеру. Он показывает, из частиц какого диаметра состоит данная пыль, а также массу или количество частиц соответствующего размера [159].
В природе встречается всевозможная пыль по своей дисперсности. К примеру, в производстве при дроблении (истирании) твёрдых компонентов, при образовании пыли преобладают фракции 5 — 10 мкм и более, при тонком помоле образуется пыль с преимущественным составом пылинок от 1 до 5 мкм; наиболее мелкой составляющей являются дымы и аэрозоли конденсации, в которых большую часть составляют частички менее 1,5 мкм.
Аэрозоль состоит из дисперсной среды – газа, к примеру воздух, и дисперсной фазы – частицы пыли. Самые мелкие частицы по своим размерам близки к диаметрам молекул. Достаточно крупные – те которые некоторое время могут находиться во взвешенном состоянии.
Выделят два типа аэрозолей: дисперсионные и конденсационные. Первые образуются от продуктов измельчения твёрдых веществ. Вторые при конденсации паров, а также газов. Дисперсионные частицы всегда грубее и обладают большой полидисперсностью, Конденсационные аэрозоли всегда максимально близки к правильной шарообразной форме. Пыль - представляет вид дисперсионных аэрозолей с твёрдыми частицами. Сюда же можно отнести и совокупность всех осевших частиц [192, 193].
Туман - вид конденсационных аэрозолей, где присутствуют, как жидкие, так и твёрдые частицы. Дым - конденсационный аэрозоль с твердой дисперсной фазой или включающий частицы как твердые, так и жидкие. Аэрозоли разнообразны по своему составу. Могут содержать частицы различных диметров. Одинаковые по размеру составляющие аэрозоля изготавливаются искусственным путём, для калибровки приборов.
Первым ученым, который предложил классифицировать аэрозоли по дисперсности, был Н. А. Фукс. По его «естественной классификации» [192, 193], которая основывается на физико-химических значениях аэрозолей и закономерностях их распределений. По дисперсности аэрозоли предложено разделить на следующие виды: высокодисперсные - с диаметрами частиц до 1 мкм, обоснованные тем, что сопротивление движению, скорость охлаждения частиц пропорциональны r2, рассеяние света частицами пропорционально r6, броуновское движение частиц преобладает над оседанием под действием силы тяжести; грубодисперсные - с диаметром частиц выше 20 мкм, у которых оседание значительно преобладает над броуновским движением; системы с промежуточной дисперсностью частиц от 1 до 20 мкм вынесены в отдельную классификацию.
Более поздние классификации (распределения) пыли по дисперсности также не отличаются наглядностью, например по классификации Медникова Е.П. [135], пыли делятся только на тонкодисперсную (менее 20 мкм) и грубодисперсную (более 20 мкм).
На производствах и в обычной жизни мы постоянно сталкиваемся с веществами, образующими пыль. Многие технологические процессы преднамеренно назначены на приведение в такое состояние. Массу примеров можно привести из строительной отрасли для гипсовой, цементной, силикатной пыли: процессы измельчения, пересыпки, транспортировки и т.д. Здесь стоит отметить, что наличию пыли стоит уделить особое место, так как в большинстве случаев воздух приходится очищать от данного вида аэрозоля. В связи с этим существующие ныне системы очистки предназначены для улавливания пыли.
Пыль, главным образом, может быть разделена на естественную и промышленную. Первая появляется из процессов, не связанных с производством, хотя возможна взаимосвязь между этим видом пыли и деятельностью человека, к примеру, сельское хозяйство.
При решении задач по очистке приточного воздуха перед поступлением его в помещения, приходится сталкиваться с пылью естественного происхождения. Наличие пыли и волокон в помещении является проблемой в том случае, если жители имеют жалобы на визуально видимую пыль или имеют субъективные или объективные симптомы, относящиеся к пылевым частицам. Существует несколько видов источников пыли, которая вызывает негативные последствия для здоровья внутри непромышленных помещений: химические частицы при использовании по назначению, непреднамеренные выбросы частиц, частицы переносимые домашними животными или вредителями, а также частицы микробного происхождения
Результаты исследования эффективности оборудования при проведении дисперсного анализа пыли в выбросах в атмосферу
Применяемые формулы, могут содержать различное число параметров. К однопараметрическим относятся формулы Мартина-Андреасена и Г.И. Ромашова. Мартин на примере песка обосновал статистическую совокупность размеров частиц и предложил аппроксимировать кривые распределения числа частиц по диаметрам полученные экспериментально-опытным путём. Используемый Мартином единственный параметр формулы, можно легко рассчитать при помощи компьтера. Но использование полученной формулы будет практичсески невозможным для измельчённых материалов, т.к. не всегда имеются достоверные данные о максимальном диаметре частиц пыли dmax. Более того, даже при одной серии проб, отобранных в инженерно-экологических, в выбросах в атмосферу и т.д., значение dmax может колебаться в разных пределах. Соответственно изменение кривой или функции D(dч) будет существенно меняться, что не даст возможности наглядно отобразить точность результатов.
В трудах Ромашова Г.И. частицы пыли, витающие в воздушной среде, описываются уравнением кривой распределения [168, 105]:
Полученные данные в ходе экспериментальных исследований и рассчитанные по уравнению (2) могут быть нанесены в координатную сетку, предложенную Ромашовым. В случае когда распределения является “правильным”, t будет коэффициентом угла наклона прямой относительно оси абсцисс через координаты [0;0]. Однако стоит отметить, что применение данной формулы возможно только для пыли, находящейся во взвешенном состоянии в спокойной среде помещений. Из достоинств формулы Ромашова можно выделить только нетрудоёмкость нахождения параметров.
Формулы с двумя параметрами, имеющие логарифмически-нормальное распределение, описываются Загустиным, Годэном, Розиным-Рамлером и Гриффитсом.
В формуле Загустина два параметра основываны на скорости с которой уменьшается масса каждой из функции при измельчении, что прямопропорционально этой массе каждой из фракции с линейным коэффициентом зависимым от размера частиц [120]: D(d) = (d/d0)k+1, (3) где d0 - диаметр начального образца; к - const, описывающая материал при разрушении (измельчении). Основываясь на данных предположениях Загустин представил уравнение характеристики дроблённого материала, зависящее от времени и имеющее многообразный вид при разных случаях. Тем не менее, принятая модель дробления вещества и необходимость постоянного обоснования коэффициента к, основная теоретическая формула, а также её частные случаи не нашли обширного применения на практике.
Гриффитс [121], опираясь на законы распределения газов в зависимости от их энергии, по кинетической теории газов, и распределением числа молекул в зависимости от размеров, вывел “функцию распределения массы частиц по диаметрам”. Однако большой неточностью Гриффитса стало то, что распределение молекул в частицах, зависящих от размеров частиц, может быть аналогично распределению числа молекул по их энергии [1-3, 121].
Эмпирическая формула Годэна, выведенная подтверждённая результатами многочисленного анализа различных материалов ситовым методом, оказалась применима только для тонких классов веществ. Как и любое другое уравнение, основанное только на какой-то классификации, достаточно неудобно.
Продукты измельчения монодисперсных материалов подчиняются закономерностям Годэна, что было доказано Андреевым и Шуманом [32, 33, 121] и соответственно кривые функции плотности распределения массы по диаметрам будут выражаються уравнением (5): где т, d80 - параметры. Стоит отметить, что формула (4) при d d80 является неприменимой для реально получаемых видов пыли, что объясняется введением индекса 80 по величине диаметра d. Также, невозможно применение данной формулы для описания вида пыли из-за условий стохастичности, в принципе как и формула Загустина.
Аппроксимационное представление данных Розина и Раммлера, полученных ситовым анализом, выражаются формулой [121]:
Удобство и простота нахождения параметров формулы (5) при помощи двойной логарифмической сетки, подтверждены многими торетическими результатами её использования. В своей поздней работе [121] Раммлер отмечает, что формула (6) не будет являться универсальной, поможет приблжённо описать процесс при многих измельчениях. В работах Раммлера [121] и Андреева СЕ. [3] формула (5) может использоваться для обсчёта уже построенных опытных кривых. Замеры показали, что формула Розина-Рамлера-Шперлинга-Беннета (RRSB) в некоторых случях примениам, к примеру, для описания фракционного состава пыли в атмосфере цехов шинных заводов. Но, при посторении по формула (6) необходима специальная сетка для изображения области функции D(dч). Причём границы изменения функции D(dч) или ее вероятностного коридора, в условиях стохастичности технологических процессов, прямыми линиями не изображаются.
К трехпараметрическим функциям, изображающим дисперсный состав пыли, можно отнести формулы Авдеева, Шифрина, Свенсона -Авдеева, которые советуется применять при аппроксимации распределения частиц по размерам однокомпонентных полидисперсных материалов. Но они не являются пригодными для определения достоверности любого другого метода, т.к. невозможно записать аналитическое выражение для кривых распределения по материалам разнородным по своей структуре, а также зависящим от погрешностей, возникающих при определении дисперсного состава.
Авдеев Н.Я. [2] предполагает, что поверхностная удельная энергия частиц не является величиной const, а распределяется по степенному закону Годэна-Андреева. Тогда при замене введенного
Гриффитсом коэффициента «вероятности» измельчения f = kd c более общим его выражением / = , где допустимы значения параметра а, как положительные, так и отрицательные, Авдеев Н.Я. получил общую формулу плотности распределения частиц
Метод оценки дисперсного состава пыли в выбросах в атмосферу с применением метода «рассечения»
Метод седиментрии выбранный нами в качестве одного из методов исследования свойств пыли, позволяет определить аэродинамические свойства частиц методом пофракционного оседания с последующим анализом ее дисперсного состава и построением графиков зависимостей скорости осаждения частиц от эквивалентного диаметра пыли.
При оседании по фракциям анализируемая проба размельченного материала собирается в верхней части столба дисперсионной среды [7, 121, 122, 212]. Сначала происходит выпадение наибoлее тяжёлых и крупных частиц фракции, которые, постигнув к некоторому времени высоту цилиндра H, оседают на дне седиментометра. По скорости оседания = H/ можно найти минимальный диаметр частиц осевших к моменту , а по массе осадка установить процент частиц, которые имеют меньший диаметр [7].
Для определения дисперсного состава пыли методом оседания в воздушной среде воспользуемся седиментометром [212] (рис.16). Навеска выбранной пыли равномерно рассыпается на предметный столик. Распыление порошка совершает резкий воздушный толчок поршня, от которого данная взвесь попадает в верхнюю часть установки, откуда под воздействием силы тяжести пылинки оседают в неподвижном воздушном пространстве. Двигаясь с различной скоростью частицы оседают на скотч, уложенный на лентoчный транспортер. Ленту транспортера рывком перемещают на величину диаметра цилиндра за равные промежутки времени составляющие 2 сек. Рисунок Экспериментальная установка: 1 - основание; 2 -пылеприёмное устройство; 3 - седиментационный цилиндр высотой Н =1 ыо мм , диаметром d =160 мм; 4 - заслонка; 5 - воронка; 6, 8 - поршень; 7 -предметный столик После экспериментальной части проводят анализ дисперсного состава пыли микроскопическим методом [40, 211].
Рисунок Зависимость по скоростям оседания от эквивалентного диаметра частицы в логарифмической сетке: 1 – минимальные эквивалентные диаметры; 2 – медианные эквивалентные диаметры; 3 – максимальные эквивалентные диаметры.
Зависимость по скоростям оседания от эквивалентного диаметра частицы в полулогарифмической сетке: 1 – минимальные эквивалентные диаметры; 2 – медианные эквивалентные диаметры; 3 – максимальные эквивалентные диаметры. Исходя из полученных зависимостей скоростей оседания от эквивалентного диаметра частицы, предлагается простая формула для определения скоростей оседания частиц пыли:
Рисунок 20 - ИФРМЧД для пыли оседающей в атмосфере цеха цементного производства Анализ дисперсного состава пыли после проведения оседания позволяет получить наглядное распределение частиц от малого диаметра до крупного, тем самым сведя к минимуму погрешность при измерении другими методами. В частности, где приходится брать выборку случайным образом.
В итоге после проведения расчёта получаем, что масса исходной навески равна 70,643 г.
Таким образом, метод седиментрии, обладает целым набором преимуществ перед другими методами. Воспользовавшись методом седиментометрии для определения дисперсного состава пыли, можно получить данные обширно раскрывающие и показывающие суть проблемы и опасности мелкодисперсной пыли: S во-первых, можно определить все те характеристики пыли, которые нам демонстрируют другие методы, а именно формы, размеры и диаметры частиц; S во-вторых, полученные результаты обладают наибольшей точностью; S в-третьих, экспериментальные условия приближенны к реальным, что позволяет дать более точную оценку и прогноз негативного воздействия; S в-четвертых, раскрывает несколько важных параметров, как скорость оседания частиц, дальность переноса, рассеивание (позволяют с помощью математики рассчитать вероятность рассеивания, и как следствие нанесение вреда); в-пятых, простота создания и эксплуатации экспериментальной установки, и максимальное полное извлечение данных с более высокой точностью. Все перечисленные параметры и характеристики пыли можно объединить в одну группу - аэродинамические свойства пыли. Выводы по второй главе
1. Анализ приборов, как зарубежных, так и отечественных фирм, по определению дисперсного состава пыли или концентрации, не являются в полной мере пригодными для производств строительной индустрии, т.к. обладают рядом недостатков: стоимость приборов, узкий диапазон измерений, габариты и транспортировка, особенности измерения (оптический, лазерный, радиоизотопный), требования специальных условий для организации отбора проб.
2. Микроскопический анализ дисперсного состава пыли для предприятий строительной индустрии позволяет проводить измерения частиц с размерами от 0,5 мкм до 250 мкм, что подходит для данного вида отрасли.
3. Седиментометрический метод в совокупности с микроскопическим анализом позволяет получить практически все характеристики исследуемой пыли, а именно: диаметр, форма, скорость оседания, условия распространения и т.д. Однако его нельзя применять для слипающихся видов пыли.
3.1. Расчёт интегральных кривых методом аппроксимационного представления функций дисперсного состава пыли Для описания интегральной кривой, был применён метод аппроксимации [80, 111, 162, 199] при помощи уравнения прямой на первом участке и гиперболической функции на втором. Область значений всех размеров частиц представлена: первый участок 3 Зкр1, второй участок Зкр1 3 Зкр2 (рис.24).
Использование метода «рассечения» при анализе выбросов пыли производств строительных материалов
По результатам исследований, полученных в ходе мониторинга, установлены пределы изменения концентрации пыли РМ10 и РМ2,5 в выбросах от источников на гипсовом, цементном, силикатном и других предприятиях.
Предложена методика по расчёту концентрации РМ10 и РМ2,5 в выбросах предприятий по производству строительных материалов, которая позволяет оценить количество выбрасываемой мелкодисперсной пыли в атмосферу, а также необходима для мониторинга и контроля РМ10 и РМ2,5 в выбросах в атмосферу. Методика может быть использована для предприятий других отраслей.
Использование метода «рассечения» позволяет оценить процентное содержание доли мелкодисперсной пыли в выбросах при довольно большом разбросе «крупных» включений, а также при большом объёме отобранных проб. Предложенный алгоритм расчета «рассечения» довольно прост и может быть обсчитан в Exсel.
Предложенная методика позволяет снизить стоимость проведения экологического контроля для одного источника за первый год 17 369,60 руб.
В диссертационной работе дано решение актуальной задачи совершенствования методов контроля и оценки дисперсного состава пыли в выбросах в атмосферу и инженерно-экологических системах от строительной индустрии. На основании результатов проведенных теоретических и экспериментальных исследований можно сделать следующие основные выводы по работе:
1. Рассмотренные методы аналитического описания дисперсного состава для пыли в выбросах в атмосферу и в инженерно-экологические системы, а также опытно-промышленными исследованиями на гипсовом, цементном, силикатном и других производствах предприятий строительной индустрии, доказано, что наиболее распространённым является усечённое логарифмическое распределение.
2. Микроскопический анализ дисперсного состава пыли для предприятий строительной индустрии позволяет проводить измерения частиц с размерами от 0,5 мкм до 250 мкм, что подходит для данного вида отрасли.
3. С помощью применения метода «рассечения» при анализе дисперсного состава пыли, поступающей от выбросов предприятий в атмосферу, представляется возможным составить полное представление о доле мелких фракций пыли, а также определить законы их распределения. Полученные результаты позволяют их использование для решения задач по обеспечению экологической безопасности производств.
4. Использование метода «рассечения» позволяет оценить процентное содержание доли мелкодисперсной пыли в выбросах при довольно большом разбросе «крупных» включений, а также при большом объёме отобранных проб. Предложенный алгоритм расчета «рассечения» довольно прост и может быть обсчитан в Exсel.
5. Предложена методика по расчёту концентрации РМ10 и РМ2,5 в выбросах предприятий по производству строительных материалов (гипсовом, цементном, силикатном и других предприятиях), которая позволяет оценить количество выбрасываемой мелкодисперсной пыли в атмосферу, при мониторинге и контроле РМ10 и РМ2,5 в выбросах в атмосферу. Методика может быть использована для предприятий других отраслей.
6. «Методика измерений микроскопического анализа дисперсионного состава пыли для выбросов в атмосферу с применением персонального компьютера (ПК)» вошла в «Перечень методик измерений концентраций загрязняющих веществ в выбросах промышленных предприятий», допущенных к применению в научно-исследовательских, проектных и других организаций и служб, работающих в сфере охраны окружающей среды и экологической безопасности Министерства природных ресурсов и экологии Российской Федерации.
