Методы и средства защиты населения от негативных воздействий источников выбросов гипсового производства в атмосферный воздух Азаров Артем Викторович

Содержание к диссертации

Введение

ГЛАВА 1 Анализ степени воздействия предприятий гипсовой промышленности на воздушную среду 12

1.1 Характеристика выбросов предприятий по производству гипсового вяжущего 12

1.2 Анализ степени воздействия на воздушную среду городов предприятий гипсового производства 18

1.3 Анализ существующих методов повышения уровня защищенности воздушной среды вблизи предприятий гипсовой промышленности .. 20

1.4 Выводы по главе 1 28

ГЛАВА 2 Теоретические исследования исходных данных для разработки рекомендаций по повышению уровня защищенности воздушной среды 30

2.1 Дисперсный состав и фракционная концентрация пыли как метод расчетного обоснования уровня защищенности природной среды... 30

2.2 Определение дисперсного состава пыли с использованием ПЭВМ... 40

2.3 Совершенствование расчетной модели для аппроксимационного представления ИФРМЧД пыли 41

2.4 Определение фракционной эффективности очистки выбросов от пыли с использованием вероятностно-стохастического подхода 47

2.5 Выводы по главе 2 50

ГЛАВА 3 Анализ условий функционирования гипсового производства как источника воздействия на воздушную среду 51

3.1 Оценка содержания гипсовой пыли в атмосферном воздухе на границе склада хранения сырья 51

3.2 Оценка содержания пылевых фракций в массе породы дробленного гипсового камня 54

3.3 Экспериментальные исследования удельной сдуваемости гипсовой пыли с открытых площадок хранения 63

3.4 Обследование систем обеспыливания гипсового производства 72

3.5 Оценка общей и фракционной эффективности очистки от выбросов

в реальных производственных условиях 78

3.6 Выводы по главе 3 84

ГЛАВА 4 Рекомендации по повышению уровня защищенности воздушной среды вблизи предприятий гипсового производства и практическая реализация результатов работы 86

4.1 Общие рекомендации по снижению выбросов предприятия по производству гипсового вяжущего 86

4.2 Конструктивные особенности предлагаемых решений, схем 88

4.3 Экспериментальные исследования фракционной эффективности очистки от выбросов гипсового предприятия

4.3.1 Описание экспериментальной установки 92

4.3.2 Планирование эксперимента 94

4.3.3 Результаты статистической обработки данных экспериментальных исследований 98

4.3.4 Анализ результатов экспериментальных исследований 106

4.4 Экономическая и экологическая эффективность предлагаемых мероприятий по повышению уровня защищенности воздушной среды 115

4.5. Внедрение результатов аналитических и экспериментальных исследований 119

4.6 Выводы по главе 4 121

Заключение 123

Список сокращений и условных обозначений 126

Список использованной литературы

• Анализ существующих методов повышения уровня защищенности воздушной среды вблизи предприятий гипсовой промышленности
• Совершенствование расчетной модели для аппроксимационного представления ИФРМЧД пыли
• Экспериментальные исследования удельной сдуваемости гипсовой пыли с открытых площадок хранения
• Экспериментальные исследования фракционной эффективности очистки от выбросов гипсового предприятия

Введение к работе

Актуальность данной диссертации определяется необходимостью совершенствования методов получения и обработки исходных данных о дисперсных характеристиках пыли, оказывающей негативное воздействие на природную среду и разработке основ проектирования природоохранных мероприятий, направленных на поддержание нормативов качества атмосферного воздуха на этапе разработки и согласовании проектной документации на строительство, что имеет существенное значение для экологической безопасности строительства, так как позволяет проводить расчетное обоснование и проектирование повышения уровня защищенности природной среды при создании строительных комплексов, создать благоприятную окружающую среду для населения.

Тема диссертационной работы соответствует паспорту специальности 05.23.19 Экологическая безопасность строительства и городского хозяйства, пункт 10.

Объект исследования - методы расчетного обоснования и проектирования повышения уровня защищенности воздушной среды при создании строительных комплексов.

Предмет исследования - методы получения и обработки исходных данных о дисперсных характеристиках пыли, разработка с их помощью основ проектирования инженерных средств защиты окружающей среды в производстве гипсового вяжущего.

Степень разработанности темы - Значительный вклад в снижение воздействия на природную среду объектов строительных комплексов внесли: Абрамкин Н. Г., Азаров В.Н., Беспалов В. И., Боглаев В.И., Богуславский Е.И., Васильев В. Ф., Вихтер Я.И., Графкина М.В., Гробов А.Б., Гудим Л. И., Диденко В.Г., Еремкин А.И., Жуков Н. И., Клячко Л. С., Коптев Д. В., Корнилаев П. И., Коузов П. А., Логачев И.Н., Логачев К.И., Маслов В. К., Мензелинцева Н.В., Минко В.А., Мощен-ко Г. В., Мухутдинов Р. Х., Одельский Э. Х., Панков А. А., Пирумов А. И., Плешакова Л. М., Полушкин В. И., Пономарева Н.С., Сажин Б. С., Селиванов Г. Г., Слесарев М.Ю., Теличенко В.И., Успенский В. А., Хрусталев Б. М., Штокман Е.А., Щербина Е.В., Юрков Ю. Н. и др. авторы. Однако, разработка природоохранных мероприятий инженерной защиты окружающей среды при оценке выбросов мелкодисперсной пыли и выявлении наиболее значимых источников пы-левыделения (открытых площадок хранения сырья производств строительных материалов) с точки зрения количества и дисперсных характеристик пыли не проводилась.

Научная гипотеза - Уровень защищенности природной среды и его повышение во многом определяется степенью воздействия выбросов пыли в атмосферный воздух объектов строительного комплекса. Возникает необходимость расчетного обоснования и проектирования повышения уровня защищенности природной среды путем разработки методов исследования дисперсных характеристик пыли рассматриваемого производства и разработки на их основе инженерных средств защиты окружающей среды. Методы получения данных комплексной характеристики выбросов в атмосферный воздух, программы для получения и обработки результатов дисперсного состава пыли в выбросах предприятия, расчетные формулы для анализа результатов дисперсного состава, позволят провести расчетное обоснование и проектирование повышения уровня защищенности природной среды.

Цель диссертационной работы - разработка методов расчетного обоснования и проектирования повышения уровня защищенности воздушной среды при создании предприятий промышленности строительных материалов.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Получение комплексной характеристики выбросов в атмосферу в производстве гипсовых вяжущих (концентрация в атмосферном воздухе пыли гипса и законы распределения, дисперсный состав пыли и его описание, аэродинамиче-

ские характеристики пыли, выполнение на границе СЗЗ нормативов для PM₁₀ и PM_2,5).

1. Совершенствование методов исследования дисперсных характеристик пыли. Исследование пыли гипса, поступающей в окружающую среду на стадиях хранения гипсового сырья и производства гипсовых вяжущих, в том числе исследование величин PM₁₀ и PM_2,5.

2. Совершенствование расчетной модели аппроксимационного представления для определения фракционного состава пыли, поступающей в природную среду.

3. Экспериментальные исследования величины сдуваемости гипсовой пыли с открытых площадок хранения гипсового сырья.

4. Исследование величины выбросов в атмосферу от неорганизованных источников в производстве гипсовых вяжущих в натурных условиях и разработка мероприятий, направленных на их снижение.

5. Разработка инженерных средств, направленных на снижение выбросов гипсовой пыли в атмосферу от организованных источников, исследование возможности применения в системах инженерной защиты окружающей среды вихревых аппаратов на встречных закрученных потоках.

6. Экспериментальные исследования предлагаемых природоохранных мероприятий и выбор оптимальных режимов работы для достижения максимальных значений очистки от мелкодисперсной пыли.

Научная новизна работы:

1. Получены результаты комплексной характеристики выбросов в атмосферу предприятий гипсового производства и выявлены наиболее значимые источники посредством использования программ для расчета приземных концентраций загрязняющих веществ в атмосферном воздухе и результатов анализа дисперсного состава пыли.

2. Предложены методы определения вероятности содержания частиц пыли определенного диаметра (PM₁₀ и PM_2,5) в атмосферном воздухе, вероятности превышения фракционной концентрацией гигиенических нормативов для расчетного обоснования уровня защищенности природной среды.

3. Разработана программа для ЭВМ «Dust-1», предназначенная для проведения расчетного обоснования загрязнения воздушной среды и проектирования средств повышения уровня защищенности в зависимости от дисперсного состава пыли, выбрасываемой в атмосферный воздух предприятиями строительного производства.

4. Для расчета фракционного состава выбросов и проектирования средств повышения уровня защищенности окружающей среды на предприятиях строительной отрасли разработана программа для ЭВМ «Программный комплекс расчетных моделей для аппроксимационного представления интегральных функций распределения массы частиц по диаметрам пыли в СКА Maple», с помощью данной программы получены аппроксимационные представления интегральных функций распределения дисперсного состава пыли, в атмосферном воздухе неор-

ганизованного источника пылевыделения (открытого склада хранения гипсового сырья) предприятий гипсовой промышленности.

5. Уточнены коэффициенты a и b степенной зависимости q(v) удельной сду-ваемости гипсовой пыли для расчета количества выбросов, поступающих в атмосферный воздух от открытых складов хранения сырья. Получена регрессионная модель для расчета удельной сдуваемости пыли в зависимости от скорости воздушного потока и удельного содержания пыли в массе породы предприятий гипсовой промышленности.

6. Определены формулы для определения фракционной эффективности инженерных средств защиты окружающей среды на основании расчетных моделей аппроксимационного представления интегральных функций распределения массы частиц по диаметрам гипсовой пыли.

7. Разработаны рекомендации для проектирования объектов гипсовой промышленности по снижению содержания пылевых фракций гипса в массе породы, хранящейся на открытых площадках хранения сырья; с использованием разработанных программ для ЭВМ определены оптимальные параметры наладки предложенных систем для снижения выбросов мелкодисперсной гипсовой пыли; доказана сходимость схемы расчета оптимальных параметров инженерных средств для достижения максимальных значений фракционной эффективности улавливания пыли размерами 0-2,5 мкм и 0-10 мкм.

Теоретическая и практическая значимость работы:

1. Для определения дисперсных характеристик пыли в производстве строительных материалов, выделяющейся в атмосферный воздух, разработана программа для ЭВМ «Dust-1» (Авторское свидетельство № 2014618468, Заявл. 20.09.14, Зарег. 21.08.2014).

2. Для расчета фракционных характеристик строительной пыли, выбрасываемой от различных источников негативного воздействия на природную среду и расчетного обоснования эффективности работы систем инженерной защиты разработана программа для ЭВМ «Программный комплекс расчетных моделей для аппроксимационного представления интегральных функций распределения массы частиц по диаметрам пыли в СКА Maple».

3. Получена регрессионная модель для расчета значения удельной сдувае-мости пыли с открытых площадок хранения гипсового камня в зависимости от скорости воздушного потока и удельного содержания пыли в массе породы. Найдена зависимость величины удельной сдуваемости пыли с открытых площадок хранения от дисперсного состава пыли, содержащейся в массе породы.

5. Разработаны рекомендации по проектированию повышения уровня защищенности воздушной среды вблизи предприятий по производству гипсовых строительных материалов, позволяющие снизить негативное воздействие на атмосферный воздух и сократить потери сырья.

Методология диссертационного исследования - Общепринятые для технических наук эмпирические, абстрактно-логические, монографические методы, системный подход и математическое моделирование. Теоретические положения проверялись экспериментальными исследованиями.

Методы исследования - Аналитическое обобщение известных научных и практических результатов, методы теории вероятности и математической статистики, методы планирования эксперимента, лабораторные и опытно-промышленные исследования, методы разработки программных приложений, системы анализа и управления данными, программы для расчета приземных концентраций загрязняющих веществ в атмосфере.

Положения, выносимые на защиту:

4. Комплексная характеристика степени воздействия предприятий гипсовой промышленности на природную среду, значения превышения ПДК и оценка влияния неорганизованных источников выбросов (открытых площадок хранения сырья).

5. Определение вероятности содержания частиц пыли определенного размера в атмосферном воздухе вблизи предприятий строительных производств, вероятности превышения нормативов для мелкодисперсной пыли как методов расчетного обоснования уровня защищенности природной среды.

6. Порядок реализации алгоритмов разработанных программ для ЭВМ как метода расчетного обоснования и проектирования повышения уровня защищенности воздушной среды вблизи предприятий строительного комплекса.

7. Расчетные формулы фракционной эффективности очистки от выбросов пыли предприятий строительных производств, вывод о возможности использования формул расчета фракционной эффективности инженерных средств защиты окружающей среды по полученным в программах для ЭВМ результатам дисперсного анализа пыли.

8. Выводы о содержании пылевых фракций гипса в массе породы на открытом складе хранения гипсового камня, коэффициенты для степенной зависимости удельной сдуваемости пыли от скорости воздушного потока, обоснование того, что формула степенной зависимости требует уточнения, регрессионная модель для расчета удельной сдуваемости пыли с открытых площадок хранения сырья в зависимости от скорости воздушного потока и удельного содержания пылевых фракций гипса в массе породы.

9. Конструктивные особенности предлагаемых рекомендаций для проектирования повышения уровня защищенности воздушной среды в производстве гипсового вяжущего, результаты экспериментальных исследований общей и фракционной эффективности работы предлагаемых схем, узлов и элементов, метод планирования эксперимента, полученные математические модели общей и фракционных эффективностей от независимых переменных (факторов варьирования), поверхности отклика, выводы о оптимальных режимах работы исследуемой системы с полученными линиями уровня.

7. Результаты эколого-экономической эффективности реализации меро
приятий по повышению уровня защищенности в производстве гипсового вяжуще
го, срок окупаемости.

Личный вклад соискателя. Все положения выносимые на защиту получены лично автором, в том числе анализ и обобщение научно-технической и нормативной литературы; разработка методов расчетного обоснования уровня защищен-

ности воздушной среды от воздействия предприятий строительных производств; развитие теоретических аспектов исследуемого вопроса; проведение теоретических и экспериментальных исследований.

Степень достоверности - Научные положения, выводы и рекомендаций обоснованы применением классических положений теоретического анализа, методов планирования необходимого объема экспериментов, подтверждением адекватности полученных результатов экспериментальных исследований (значение критерия Фишера при уровне значимости q=5% и соответствующих числах степеней свободы).

Апробация результатов. Основные положения и результаты работы докладывались и получили одобрение на: XVI международной научно-технической конференции «Машиностроение и техносфера XXI века», Донецк 2009 г.; конференции молодых инженеров-экологов «Проблемы охраны производственной и окружающей среды», Волгоград, 2011 г., 2012 г.; международной научно-практической конференции «Научные исследования и их практическое применение. Современное состояние и пути развития 2011», Одесса 2011 г.; второй международной научно-практической конференции «Экологическая геология, практика и региональные проблемы» Воронеж 2011 г.; всероссийской научно-практической конференции (с международным участием), Тобольск 2012 г.

Реализация результатов работы - На ООО «ВОЛМА-Майкоп» внедрены методы повышения уровня защищенности воздушной среды вблизи предприятия гипсового производства. На ООО «ХПП Агростандарт» внедрены методы расчетного обоснования уровня защищенности воздушной среды (расчетные формулы и методы оценки влияния источников выбросов в атмосферный воздух). Программы для ЭВМ, внедрены на ОАО «Волжский абразивный завод».

Публикации - Основные результаты исследований по теме диссертации изложены в 15 работах, в том числе 5 публикаций в рецензируемых изданиях ВАК РФ, 1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ, 3 патента на полезную модель.

Объем и структура работы - Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка сокращений и условных обозначений, списка литературы и приложений. Общий объем работы 181 страница, в том числе: 136 страниц - основной текст, содержащий 16 таблиц на 24 страницах, 55 рисунков на 48 страницах, список сокращений и условных обозначений на 1 странице, список литературы из 114 наименований на 10 страницах, 9 приложений на 45 страницах.

Анализ существующих методов повышения уровня защищенности воздушной среды вблизи предприятий гипсовой промышленности

Сохранение жизнеобеспечивающих ресурсов геосферных оболочек в условиях растущего противоречия между потребностью общества в комфортной среде обитания, разнообразной продукции и услугах и ограниченными возможностями Земли по представлению этих ресурсов и поглощению негативных результатов антропогенной деятельности является важнейшей задачей современности в условиях перехода общества к устойчивому развитию. Гармонизация хозяйственной деятельности человека и биосферы возможна только в результате научно обоснованных технических компромиссных решений в процессе природопользования. Основными критериями экологической эффективности таких решений являются снижение темпов разрушения и истощения абиотических ресурсов и минимизация негативного воздействия на геосферы. [49] Одним из методов снижения темпов разрушения и истощения абиотических ресурсов и минимизации негативного воздействия на геосферы (атмосферу) является установление санитарно-защитных зон предприятий, организованных в соответствии с требованием законодательства.

В соответствии с СанПиН 2.2.1/2.1.1.1200-03 "Санитарно-защитные зоны и санитарная классификация предприятий, сооружений и иных объектов" предприятия связанные с добычей гипсового сырья и производством строительных материалов на основе гипса классифицируются следующим образом: 1) п. 7. «Объекты по добыче гипса» раздела 7.1.3. «Добыча руд и нерудных ископаемых» - класс II - санитарно-защитная зона 500 м; 2) п. 3. «Производство гипса (алебастра)» раздела 7.1.4. «Строительная промышленность» - класс II - санитарно-защитная зона 500 м; 3) п. 20. «Производство гипсовых изделий, мела» раздела 7.1.4. «Строительная промышленность» - класс III - санитарно-защитная зона 300 м; 4) п. 3. «Открытые склады и места перегрузки минеральных удобрений, асбеста, извести, руд (кроме радиоактивных) и других минералов (серы, серного колчедана, гипса и т.д.)» раздела 7.1.14. «Склады, причалы и места перегрузки и хранения грузов, производства фумигации грузов и судов, газовой дезинфекции, дератизации и дезинсекции» - класс II -санитарно-защитная зона 500 м.

Так как предприятия по производству гипса зачастую расположены вблизи мест добычи сырья, а также на территории расположены открытые склады и места перегрузки гипса, то в большинстве случаев производственная территория относится ко второму классу - санитарно-защитная зона 500 м. Учитывая необходимость расположения предприятий вблизи существующих инженерных коммуникаций, а также в условиях уже сложившейся градостроительной ситуации предприятия по производству гипсовых строительных материалов располагаются довольно близко к нормируемым территориям (согласно СанПиН 2.2.1/2.1.1.1200-03 территории с нормируемыми показателями качества среды обитания: жилая застройка, ландшафтно-рекреационные зоны, территории садоводческих товариществ и другие) на расстоянии 20-500 метров. К таким предприятиям можно отнести: ООО "КНАУФ ГИПС КУБАНЬ"- менее 150 метров, ООО "КНАУФ ГИПС КОЛПИНО"- менее 400 метров; ООО "ВОЛМА - Майкоп" - менее 200 метров; ООО "ВОЛМА-Челябинск" - менее 100 метров; ООО "ВОЛМА" - менее 50 метров; ООО "Сен-Гобен Строительная Продукция Рус" - менее 500 метров. [103] В соответствии с вышесказанным необходимо обеспечение уровня защищенности природной среды как составляющей части среды обитания и производственной деятельности населения путем внедрения природоохранных мероприятий [97].

Одним из основных экологических принципов обеспечения экологической безопасности предприятий является минимизация загрязнения естественных экологических систем [95]. Для решения вопроса минимизации загрязнения атмосферного воздуха, разработки долгосрочных прогнозов состояния воздушного бассейна требуется надежная информация о выбросах вредных веществ в атмосферу и загрязнения воздуха гипсовым производством.[59] С этой целью уже в течение ряда лет, в широких масштабах ведутся работы по нормированию выбросов загрязняющих веществ в атмосферу. На сегодняшний день объемы выбросов предприятий по добыче и переработки гипсового камня составляют 200-1000 тонн в год. Гипсовая пыль (Пыль неорганическая: до 20% SiO2) в общем объеме выбросов предприятий по производству гипсового вяжущего составляет 60-80%.

Проведем оценку выбросов предприятий по производству гипсовых строительных материалов. На основании анализа проектной документации ряда из вышеперечисленных предприятий нами были определены средние значения количества выбросов загрязняющих веществ для основных этапов технологического процесса производства гипсового вяжущего без вспомогательных производств. Подразделениями являются цеха: цех №1 - производство гипсового камня, цех №2 - производство гипсового вяжущего. В состав типового производства входят 34 источника выброса в атмосферный воздух из них 19 организованных и 15 неорганизованных, 11 источников выбросов оборудованы системами пылеулавливания.

Таким образом, в полученном варианте расчета производства максимально разовое значение выброса на источниках в атмосферный воздух составляет 14,5993 г/с, валовое значение выбросов составляет 209,3549 т/год. Ситуационный план расположения расчетного предприятия и границ нормируемых территорий представлен на рисунке В.1 приложения В, ситуационный план расположения источников выбросов на территории предприятия представлен на рисунке В.2 приложения В. На основе условного предприятия в соответствии с имеющимися средними значениями выбросов загрязняющих веществ был проведен расчет концентраций загрязняющих веществ в атмосферном воздухе (расчет рассеивания загрязняющих веществ) и были получены концентрации загрязняющих веществ в контрольных точках на границе санитарно-защитной зоны и нормируемых территорий. Изолинии, отражающие особенности рассеивания вредных веществ в атмосфере по пыли неорганической (пыли гипса) представлены на рисунке В.3 приложения В.

Расчет рассеивания в атмосфере вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятия по производству гипсового вяжущего, выполнен по программе "УПРЗА Эколог", версия 3.1, разработанной фирмой «Интеграл», г. Санкт-Петербург, и согласованной ГГО имени А.И. Воейкова. Суммарные концентрации загрязняющих веществ определялись в пределах расчетного прямоугольника 3200 м 3200 м с шагом 20 м 20 м, охватывающего территорию промышленной площадки и ближайшие нормируемые территории, и сравнивались с ПДКм.р. в соответствии с ГОСТ 17.2.3.02-78. Графически карты рассеивания получены с сеткой шагом 200 м 200 м. Для анализа расчета рассеивания загрязняющих веществ в атмосфере заданы 30 контрольных точек на границе СЗЗ и нормируемых территориях.

В расчете приняты следующие условия статического хранения гипсового камня: склад открыт с четырех сторон, влажность материала принята до 10%. Превышения в контрольных точках (на границе нормируемых территорий, на границе ориентировочной СЗЗ-500 метров) выявлены только по двум веществам: Азота диоксид (Азот (IV) оксид) - до 1,5242 долей ПДК; Пыль неорганическая: до 20% SiO2 (пыль гипса) - до 9,27 долей ПДК.

Таким образом, превышения по неорганической пыли (пыли гипса) связаны со статическим хранением гипсового камня на промышленной площадке (источник № 6012), вклад данного источника выброса в общую концентрацию пыли неорганической (пыли гипса) в контрольных точках достигает 74,60 % и является наиболее существенным.

Совершенствование расчетной модели для аппроксимационного представления ИФРМЧД пыли

Анализ данных, представленных на рисунке 2.8, показывает, что коэффициент корреляции между значениями функций прохода массы частиц пыли D(dч) для dч=10 мкм и мощностью пылевыделения составляет -0,19. Согласно схеме оценки корреляционной связи по коэффициенту корреляции связь между значениями функций прохода массы частиц пыли D(dч) для dч=10мкм и мощностью пылевыделения оценивается как слабая (коэффициент корреляции от -0,299 до 0).

Проведена оценка достоверности коэффициента корреляции между значениями функций прохода массы частиц пыли D(dч) для dч=10 мкм и мощностью пылевыделения, по результатам расчетов критерий tр = 0,701 оценивался по таблице значений t с учетом числа степеней свободы f = 13. Критерий tр = 0,701 меньше табличного значения tт = 4,220 соответствующего вероятности р 99%, что означает наличие различий между значениями данных двух выборок.

По результатам проведенного анализа корреляционных зависимостей между значениями функций прохода массы частиц пыли D(dч) (%) для dч=2,5 мкм и dч=10 мкм и мощностью пылевыделения Мт (кг/ч) от неорганизованного источника выброса - открытый склад хранения дробленного гипсового камня установлено, что связь между значениями двух выборок оценивается как средняя (для dч=2,5 мкм) и слабая (для dч=10 мкм), при сравнении расчетных значений критерия tр с табличными значениями tт (критерий Стьюдента) выявлено наличие существенных различий между значениями данных двух выборок. Из вышеизложенного следует, что при проведении практических расчетов случайные величины Со и D(dч) (на расстоянии от неорганизованного источника пылевыделения) можно считать независимыми.

Важное значение при оценке пылевой обстановки имеет вероятности того, что величина фракционной концентрации превосходит величину возможного норматива. [5,6,54] Так, для взвешенных веществ (пыли гипса) нормативная концентрация (ПДКс.с.) РМ2;5 и РМШ в жилой зоне составляет 35 мкг/м3 и 60 мкг/м3 соответственно (см. таблицу 2.1). Эти условия можно записать в виде: РМ2;5 35 мкг/ м3; РМю 60 мкг/ м3 и затем оценить вероятность того, что в на границе нормируемых территорий (жилой застройке) это требование не выполняется, т.е. найти Р(РМ2;5 35 мкг/ м3) и Р(РМю 60 мкг/ м3).

Проведем оценку вероятности, что фракционная концентрация превосходит некоторую величину возможного норматива Снорм , т.е. найдем Р(Сф Сф норм).

Как отмечалось выше, мощность пылевыделений и, следовательно, общая концентрация пыли на границе нормируемых территорий С0, являющаяся случайной величиной, функция прохода D(dч) массы частиц пыли для значения dч=dнорм, также являющаяся случайной величиной, независимы, т.е. величина выброса из неорганизованного источника выброса не зависит от колебаний дисперсного состава выбросов на границе нормируемых территорий, и наоборот.

Тогда P(Cфd є АСо) - вероятность того, что значение концентрации Со, принадлежащее интервалу (с-Ас/2, с+Ас/2), определяется значением рс (С)АС, где рс-дифференциальная функция распределения общей концентрации Со в воздухе нормируемых территорий.

Вероятность того, что значение случайной функции прохода для dч=dнорм превышает Снорм/С равна: \fD{dнорм)dD, C нормі С г fD - дифференциальные функции распределения случайной величины де функции D(х) прохода массы частиц пыли по диаметрам. Применив формулу полной вероятности и переходя к пределу при АС 0,получим окончательно: ( оо (2.3) dC норм ] с J D норм 0 Снорм I С Р(РМd Снорм=Jрс(С ІФнорм dD Таким образом, на основании функций распределения pc и fD, построенных по замерам общей концентрации и дисперсного состава пыли в воздухе на границе нормируемых территорий (жилой застройки) по формуле (2.3) можно рассчитать риск (вероятность) превышения фракционной концентрацией возможного норматива. В соответствии с таблицей 2.1 принимаем нормативы концентрации для взвешенных веществ (ПДКс.с. для пыли гипса) в воздухе на границе нормируемых территорий для C(PM2,5)=35 мкг/м3, для С (PM10)=60 мкг/м3, тогда по формуле 2.3 по результатам исследований представленных на рисунке 2.1 получим риск (вероятность) превышения фракционной концентрацией возможного норматива: Р(РМ25 35мкг/м3)= 0,27 Р(РМ10 60мкг/м3)=0,67.

Выполнение дисперсионного анализа методом микроскопии проводится путем микрофотографирования предметных стекол с образцами при помощи микроприставки МФН -2, установленной на место окуляра микроскопа [74,99].

Метод определения дисперсного состава пыли основан на цифровом фотографировании увеличенных под микроскопом в 200-2000 раз полей пылевидных частиц, закрепленных на предметном стекле. Необходимо сфотографировать 300-500 частиц в тех случаях, когда полидисперсность небольшая, и 1000-1200 при значительных колебаниях размеров частиц. [6,74]

Обработка полученных изображений выполняется с помощью графического пакета Adobe PhotoShop. Графическая обработка полученного изображения включает следующие операции: выделение рабочей области изображения; инвертирование изображения; сохранение информации в формате Windows Bitmap в черно-белом формате.

Для дальнейшей обработки полученных микрофотографий с нашим участием разработана программа «Dust-1», реализующая определение эквивалентных диаметров и подсчет числа частиц на микрофотографиях [77]. Также по результатам, полученным программой проводится расчет распределения частиц по размерам в заданных размерных сетках, построение ИФРМЧД [94]. На программу для ЭВМ Dust-1 получено свидетельство о государственной регистрации № 2014618468, дата государственной регистрации в Реестре программ для ЭВМ 21 августа 2014 г. [112]

С помощью данной программы для ЭВМ производится цифровая обработка исходных графических данных, которая осуществляется путем ее сканирования. Программа позволяет определить: размер частицы (площадь, периметр); суммарное D (d); вычислить эквивалентный диаметр, объем; вычислить среднюю и максимальную диагонали и их соотношение. По объему пылевидной частицы рассчитывается е эквивалентный диаметр и определяется количество частиц различного размера [65]. По окончании сканирования фотографии определяется дисперсный состав генеральной совокупности пыли. Программа позволяет распознавать и определять размер частиц независимо от их формы, количества и расположения. Тип реализующей ЭВМ - IBM PC-совмест. ПК; язык программирования: Microsoft Visual Studio Express 2013 для Windows Desktop Visual Basic.net; вид и версия операционной системы: Windows XP; объем программы для ЭВМ: 1 Мб. Результатом работы программы является расчет среднего диаметра и определение количество частиц различного размера, по площади, занимаемой пылевидной частицей. Разработанная программа для ЭВМ сделает воможным решение вопросов обеспечения устойчивого развития городского хозяйства, оценки экологической безопасности и моделирования состояния атмосферного воздуха посредством учета степени загрязнения мелкодисперсной пылью [95].

Экспериментальные исследования удельной сдуваемости гипсовой пыли с открытых площадок хранения

Сравнительный анализ графиков функций представленных на рисунках 3.10 и 3.12 показал, что различия в полученных дисперсных характеристиках исследуемой фракции 0-105 мкм при применении различных методов (метод «рассечения», ситовый метод) разделения генеральной совокупности частиц пыли в исходной пробе не значительны, а именно различие в процентном содержании частиц по диаметрам пыли различных размеров составляет от 2 до 5 %. В свою очередь при исследовании дисперсных характеристик фракции 105-220 мкм полученные значения различаются существенно, это обусловлено порядком построения интегральной функции распределения пробы пыли, оставшейся на сите (0,125 мм), а также существенным влиянием на полученные значения содержаний частиц для диаметров пыли 105-150 мкм частиц более крупных размеров, например 200-270 мкм, которые составляют наибольший объем исследуемой пробы. Так для диаметра 150 мкм, значение содержания частиц составляет 0,6 % на интегральной функции, построенной на основе пробы, полученной ситовым методом и 65 % на интегральной функции, построенной с использованием метода рассечения и формулы (3.3). Таким образом, можно сделать вывод о необходимости использования метода «рассечения» для исследования дисперсных характеристик пылевых фракций, содержащихся в массе строительного сырья.

В настоящее время для расчета неорганизованных выбросов от складов (хвостохранилищ) хранения пылящих материалов в промышленности строительных материалов применяется методика [76], согласно которой рассчитываются удельные и валовые выбросы в атмосферу вредных веществ (пыли): Мхр=К4К5К6К7qFpa6 + К4К5 К6 К7 0,11q (Fпл – Fpa6)(1 – ), г/с; (3.5) Пхр = 0,118,6410-2К4К5 К6К7 qFпл (1 – ) (Т – Тд – Тс), т/год, где Мхр - удельный выброс в атмосферу вредного вещества (пыли) в процессе хранения материала, г/с; Пхр - валовый выброс в атмосферу вредных веществ (пыли) в процессе хранения материала, т/год; К4, К5, К6, К7 - коэффициенты учитывающие тип хранилища (открытое/закрытое помещение), влажность материала, профиль поверхности складируемого материала, крупность материала; Fпл, Fмакс, Fpa6 - площади поверхностей пыления, фактическая площадь при максимальном заполнении, площадь на которой проивзодятся погрузочно-разгрузочные работы; q - удельная сдуваемость пыли, г/(м2 с). [76] Удельная сдуваемость пыли (термин введенный в работе [76]), (мг/(м2с)) определяется по формуле: q = a vA (3.6) где q - удельная сдуваемость пыли, мг/(м2с); и - скорость ветра, м/с; а и b - эмпирические коэффициенты, зависящие от типа перегружаемого материала, принимается по таблице 8 [76].

Специалистами ВНИИБТГ (А.И. Лобода, В.Ю. Тыщук) доказано, что удельная сдуваемость пыли, г/(м2 с), зависящая от скорости ветра (м/с), воздействующего на открытые склады хранения сыпучих материалов подчиняется степенному закону и получены коэффициенты а и b для определения пылевыделения с поверхности для различных материалов [17,70]. В таблице 8 [76] коэффициенты а и b приведены для: скальных пород, мела, песка, смеси пород (глины, песок, мел), окисленных руд, каменного угля, щебня, песчано-гравийной смеси.

Для расчета выбросов в атмосферу от гипсового производства при статическом хранении сырья данные в методике [76] отсутствуют, поэтому для разработки проектов предельно-допустимых выбросов используются коэффициенты а и b для мела. Например, значения выбросов (максимально-разовые, валовые) открытого склада хранения гипсового сырья условного предприятия рассмотренные в расчетах параграфа 1.2 были приведены с использованием эмпирических коэффициентов для мела. В соответствии с проведенными расчетами выбросы от неорганизованного источника (статическое хранение дробленного гипсового камня на открытом складе) составили: пыль неорганическая до 20% SiO2 - 12,8326 г/с (максимально-разовый выброс); 22,4409 т/г (валовый выброс).

Используемое на различных предприятиях сырье одного вида может различаться по крупности, удельному содержанию пылевых фракций (кг/м3), дисперсному составу пылевых фракций (сЬ, (bo, СІ95). Так поступающее на исследуемое гипсовое производство сырье может иметь крупность: 0-50 мм, 0-300 мм, а содержание пылевых фракций в общей массе сырья зависит от схемы организации технологического процесса. В соответствии с этим для проведения более достоверных расчетов пылевыделения от каждого вида склада статического хранения в гипсовом производстве и более точной оценки загрязнения окружающей среды неорганизованными выбросами формула (3.6) требует уточнения.

Поэтому нами были проведены исследования удельной сдуваемости пыли q мг/(м2с) из объема породы гипсового камня, отобранной в месте выгрузки на открытый склад хранения (см. параграф 3.2). Исследования проводились в экспериментальной аэродинамической трубе, в которой имитируется действие ветровой нагрузки по средством создание в рабочем сечении воздуховода искусственного равномерного прямолинейного потока воздуха. Опыты в аэродинамической трубе основываются на принципе обратимости движения, когда движение воздушного потока набегает на неподвижный элемент. Общий вид аэродинамической трубы представлен на рисунке 3.13.

Аэродинамическая труба представляет собой прямоточный воздуховод (рисунок 3.13) длиной 4,54 м с вставной частью в центре, выполненной из оргстекла для обеспечения загрузки и выгрузки исследуемых материалов.

Рабочая секция позволяет моделировать режимы ветровой нагрузки, соответствующие различным типам местности согласно СНиП 2.01.07-85 "Нагрузки и воздействия".

В качестве побудителя движения воздуха в аэродинамической трубе используется осевой вентилятор. Осевой вентилятор снабжен регулятором мощности, позволяющим управлять оборотами вентилятора и задавать скорость потока воздуха. Для измерения скорости в аэродинамической трубе использовался дифференциальный цифровой манометр (ДМЦ-01).

В ходе проведения экспериментальных исследований условный объем грунта (Vусл=0,02 м3) имеющий предварительно измеренное значение массы навески гипсовой пыли, просеянной через сито с размером ячеек 0,125 (параграф 3.2) помещался в аэродинамическую трубу.

На первом этапе проведения исследований была поставлена задача по определению коэффициентов a и b степенной зависимости q(v), (3.6) для гипсового сырья с различными значениями исходного удельного содержания пылевых фракций (кг/м3). В ходе проведения данного этапа использовались три вида массы породы N1, N2, N3: N1 - Муд=11,7519 кг/м3; N2 -Муд=6,0594 кг/м3; N3-Муд=2,3119 кг/м3. Первый вид массы гипсового сырья соответствует по характеристикам массе, хранящейся на открытом складе хранения исследуемого предприятия. В ходе проведения исследований на каждый вид массы сырья воздействовали потоком воздуха с различными скоростями (V11 м/c; V22 м/c; V33 м/c V1010 м/c). На каждом виде исследуемого сырья скорость изменялась последовательно, полученное значение массы пыли (мг) в каждом из опытов суммировалось с предыдущим значением. Таким образом была устранена одна из погрешностей, влияющих на статистическую взаимосвязь результатов эксперимента. Результаты экспериментальных исследований представлены на рисунке 3.14 и в таблице 3.3.

Основываясь на выводе параграфа 3.1 удельное содержание пылевых фракций Mуд (кг/м3) определялось относительно массы фракции гипсовой пыли способной распространяться за границы открытого склада хранения гипсового камня 0-105 мкм (максимальное значение диаметра частиц зафиксированное за границами склада).

Экспериментальные исследования фракционной эффективности очистки от выбросов гипсового предприятия

По результатам исследований, применение данной модели позволяет удалить от мест выгрузки породы до 40 % пыли гипса фракции 0 мкм - 100 мкм. Не достаточно высокая эффективность обусловлена сложностью отделения мелкодисперсной пылевой фракции из общей массы породы при ее выгрузке. Одним из направлений повышения отделения мелкодисперсной пылевой фракции из общей массы породы является создание сложных инженерных систем, содержащих установки отвеивания [62] (аэроционные камеры, аэрожолобы и.т.д), применение которых связано с усложнением и значительным удорожанием технологических схем производства гипсового вяжущего.

Существующей технологической схемой предусмотрена выгрузка уловленной пыли из систем аспирации АС-1 и АС-2 на транспортер гипсового сырья, что создает основную массу мелкодисперсной пыли, содержащейся в общей массе породы (до 80,4%) на складе хранения сырья. Поэтому одним из основных решений по снижению содержания мелкодисперсной пыли в гипсовом сырье является способ транспортирования пыли уловленной системами аспирации АС-1 и АС-2 из пылевых бункеров непосредственно в накопительный бункер технологического потока системой пневмотранспорта объединенной с существующим пневмотранспортом гипсового сырья. Систему пневмотранспорта для исключения источников выбросов рекомендуется выполнить замкнутого цикла с применением эффективного вихревого пылеуловителя на встречных закрученных потоках в качестве разгрузителя и оснащение протяженной сети пневмотранспорта устройством для устранения оседания пыли на горизонтальных участках воздуховодов (материалопроводов) [37].

Оптимальные конструктивные особенности вихревого пылеуловителя на встречных закрученных потоках для улавливания мелкодисперсной пыли, наиболее опасной для здоровья человека, размером не более 10 мкм необходимо определять на основании экспериментальных исследований с дальнейшей обработкой результатов по ранее предложенным методикам: измерения дисперсного состава пыли, расчетной модели аппроксимационного представления результатов дисперсного анализа и расчета фракционной эффективности на основе расчетной модели аппроксимационнного представления (параграфы 2.2, 2.3, 3.4).

Для снижения содержания пыли в массе породы сырья на открытых скаладх хранения гипсового камня и исключения ряда организованных источников выбросов в атмосферный воздух, а заначит для повышения уровня защищенности воздушной среды предлагается система транспортировки в замкнутом цикле транспортирующего газа пыли гипса, уловленной пылегазоулавливающими установками. Полезная модель предназначена для пневматического транспортирования сыпучих материалов в не загрязняющем окружающую среду замкнутом цикле транспортирующего газа, и может использоваться в химической, строительной и пищевой отраслях промышленности, направлена заявка в Федеральный институт промышленной собственности о государственной регистрации патента на полезную модель. Принципиальная схема системы пневмотранспорта представлена на рисунке 4.2.

Предлагаемая полезная модель представляет собой систему пневмотранспорта сыпучих материалов в замкнутом цикле транспортирующего газа, содержит последовательно соединенные трубопроводами (материалопроводами) накопительные бункера, устройство для очистки воздуховодов систем пневмотранспорта (материалопровода), отделитель транспортируемого продукта (аппарат на встречных закрученных потоках ВЗП с закручивателем шнекового типа) и вентилятор, при этом на нижнем вводе отделителя установлен инжектор, обеспечивающий аспирацию пылевого бункера системы пневмотранспорта, при этом на трубопроводе подключенном к нижнему вводу отделителя на выходе из системы пневмотранспорта, а также на аспирационном патрубке, подключенном к местному отсосу пылевого бункера установлены регулирующие устройства, выгрузка транспортируемого продукта происходит через бункер отделителя посредством питающего устройства, система пневмотранспорта оснащена устройствами для очистки воздуховодов систем пневмотранспорта (материалопровода) на прямолинейных участках. контур пылевидное сырье, и по материалопроводу напором газа, создаваемым вентилятором транспортируется в отделитель. Отделитель представляет собой вихревой инерционный аппарат на встречных закрученных потоках с шнековым закручивателем. Перед отделителем пылегазовый поток материалопровода делится на два трубопровода, оснащенные регулировочными устройствами: трубопровод верхнего ввода пылегазового потока в отделитель и трубопровод нижнего ввода пылегазового потока в отделитель. В пылеотделителе происходит отделение пылевого продукта под действием центробежной силы. Уловленный продукт из отделителя через питатель поступает в пылевой бункер. Аспирация пылевого бункера осуществляется через аспирационный патрубок инжектором за счет создания в нем разряжения проходящим через него пылегазовым потоком в нижний ввод отделителя. Для очистки трубопроводов от возможных отложений транспортируемого продукта, на горизонтальных участках трубопроводного контура установлены устройства для очистки трубопроводов, предназначенные для очистки трубопроводов от возможных пылевых отложений продукта в аварийной ситуации и при проведении ремонтных и профилактических работ.

Техническим результатом использования заявленной системы пневмотранспорта сыпучих материалов в замкнутом цикле транспортирующего газа является: повышение уровня защищенности воздушной среды, за счет применения замкнутого цикла транспортирования и использования в качестве отделителя более эффективного устройства- инерционного – аппарата на встречных закрученных потоках ВЗП с закручивателем шнекового типа (рисунок 4.3) (направлена заявка в Федеральный институт промышленной собственности о государственной регистрации патента на изобретение), установки на горизонтальных участках трубопроводов устройства для очистки воздуховодов систем аспирации и пневмотранспорта; исключение выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух за счет организации аспирации пылевого бункера через инжектор, расположенный на вводе пылегазового потока в отделитель продукта.

Для снижения выбросов от организованных источников предприятия по производству гипсовых строительных материалов предлагается вихревой пылеуловитель для очистки выбросов систем аспирации и пневмотранспорта. Изобретение относится к технике очистки газа от пыли и может быть использовано в химической, строительной и пищевой отраслях промышленности, направлена заявка в Федеральный институт промышленной собственности о государственной регистрации патента на изобретение.