Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ работы аварийной системы вентиляции 10
1.1 Статистическая оценка аварийных выбросов вредных веществ на химических производствах 10
1.2 Существующие подходы к оценке последствий аварийных выбросов. 12
1.3 Анализ существующих схемных решений систем аварийной вентиляции 16
1.4 Анализ сценариев работы аварийной вентиляции с учётом динамики изменения концентрации вредностей 19
Выводы по главе 1 23
2 Динамика процессов аварийной вентиляции химических производств 24
2.1 Назначение работы аварийной вентиляции химических предприятий.24
2.2 Определение зависимости воздухообмена от интенсивности поступления вредных веществ в помещение при аварийных ситуациях 26
2.3 Изменение концентрации вредных веществ в производственном помещении 32
2.4 Определение неравномерности поля концентраций вредностей в объеме вентилируемого производственного помещения 37
2.5 Расчет аварийной вентиляции 42
2.5.1 Основные положения для расчета аварийной вентиляции 42
2.5.2 Экспериментальное исследование воздухообмена при работе аварийной вентиляции с естественным притоком воздуха в производственное помещение...46
2.5.3 Поступление воздуха через створки приточных отверстий при работе аварийной вентиляции с естественным и частично механическим притоком воздуха 54
2.5.3.1 Расчет поступления воздуха через приточные отверстия 54
2.5.3.2 Расчет потерь теплоты через приточные отверстия 56
2.5.3.2.1 Расчет потерь теплоты через поверхность приточных отверстий.56
2.5.3.2.2 Расчет потерь теплоты через щели приточных отверстий за счет инфильтрации наружного воздуха 57
2.5.3.3 Поступление приточного воздуха в производственное помещение через створки под действием ветра 61
2.5.4 Определение аэродинамических характеристик производственного помещения при работе аварийной вентиляции с естественным и частично механическим притоком воздух 64
2.5.5 Определение аэродинамических характеристик системы аварийной вытяжной вентиляции 66
2.5.5.1 Расположение вытяжных отверстий аварийной вентиляции 66
2.5.5.2 Аэродинамический расчет воздуховодов аварийной вентиляции...67
2.5.6 Выбор и расчет вентиляционного оборудования аварийной вентиляции 70
Выводы по главе 2 71
3 Определение условий, обеспечивающих ограничение влияния выбросов вредных веществ 73
3.1 Математическое моделирование прогнозирования аварийных вентиляционных выбросов в атмосферу 73
3.1.1 Количественная оценка величины выброса и включения в работу аварийной вентиляции 73
3.1.2 Прогнозная оценка риска при превышении концентрации вредных веществ над нормируемым его значением 77
3.2 Границы и условия достижения нормативной величины приземной концентрации вредных веществ в выбросах систем аварийной вентиляции...82
3.3 Исследование способов очистки аварийных вентиляционных выбросов 86
3.3.1 Обоснованность выбора способов очистки аварийных вентиляционных выбросов вредных веществ 86
3.3.2 Абсорбционный способ очистки аварийных вентиляционных выбросов 87
3.3.3 Ионитный способ очистки аварийных вентиляционных выбросов...92
3.3.4 Термический способ очистки аварийных вентиляционных выбросов 93
3.3.5 Адсорбционный способ очистки аварийных вентиляционных выбросов 97
3.3.5.1 Характеристика адсорбентов как поглотителей загрязняющих веществ 97
3.3.5.2 Очистка выбросов вредных веществ адсорбционным способом 98
3.3.6 Определение рационального способа очистки аварийных выбросов вредных веществ 107
Выводы по главе 3 108
4 Оценка эффективности работы системы вентиляции при аварийных выбросах вредных веществ 109
4.1 Определение варианта устройства аварийной вентиляции при наименьших энергетических и материальных затратах 109
4.2 Установление технико-экономических показателей 111
4.2.1 Оценка возможных затрат при аварийных выбросах вредных химических веществ 111
4.2.2 Метод оценки социального риска при аварийном вентиляционном выбросе вредных веществ 116
4.3 Практическое применение результатов работы по определению экономических и материальных затрат и оценке риска возникновения аварийных выбросов вредностей 119
Выводы по главе 4 120
Основные выводы 122
Библиографический список 124
- Анализ существующих схемных решений систем аварийной вентиляции
- Определение неравномерности поля концентраций вредностей в объеме вентилируемого производственного помещения
- Прогнозная оценка риска при превышении концентрации вредных веществ над нормируемым его значением
- Оценка возможных затрат при аварийных выбросах вредных химических веществ
Введение к работе
Актуальность темы. Анализ случаев аварийных ситуаций с выбросом в атмосферу вредных веществ, произошедших на предприятиях Российской Федерации, свидетельствует о необходимости разработки технических и санитарно-гигиенических мер, выводящих качество воздуха рабочей зоны помещения и на границе санитарно-защитной зоны на уровень нормативных показателей.
Аварийный выброс вредного вещества является внезапным и кратковременным. Существующие схемные решения устройства аварийной вентиляции заключаются в удалении воздуха из зон максимальных концентраций вредных веществ, где могут образовываться взрывоопасные смеси. Не исследованы схемы аварийной вентиляции с естественным и частичным механическим притоком воздуха. Их применение в значительной мере позволило бы сократить затраты на энергию и приобретение вентиляционного оборудования.
Возникновение аварийного выброса на химическом предприятии носит вероятностный характер. В настоящее время вопрос его прогнозирования недостаточно изучен. Методика количественной оценки аварийного выброса вредных веществ требует совершенствования.
В связи с выше изложенным тема диссертационной работы является актуальной.
Диссертация выполнена в развитие научно-исследовательской работы «Комплексная методика прогноза экологического риска и предотвращения потенциальной угрозы на химически опасных объектах» по заданию экологической инспекции Воронежской области, № гос. регистрации 29П от 18.05.2005. Результаты научно-исследовательской работы ориентированы на их использование при разработке декларации о промышленной безопасности предприятий химической, нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности.
Цель работы: разработать методы повышения эффективности аварийной вентиляции производственного помещения для обеспечения взрывобезопасно-сти при выбросах вредных химических веществ путем создания дополнительных систем притока и равномерного удаления воздуха из всего объема помещения.
Задачи исследования: определить аналитическую зависимость величины кратности воздухообмена от концентрации вредных химических веществ и нижнего предела распространения пламени по газовоздушным смесям при аварийном выбросе в производственном помещении; определить условия повышения эффективности аварийной вентиляции, исключающие образование застойных зон и обеспечивающие нормируемые концентрационные пределы распространения пламени по газовоздушным смесям в помещении; уточнить математическую модель изменения концентрации химических веществ в зависимости от их удельного выделения, времени вентилирования помещения при условии обеспечения 10% нижнего предела распространения пламени по газовоздушным смесям и соблюдения равенства концентрации вредного вещества в рабочей зоне и в уходящем воздухе; установить на основании натурных экспериментальных исследований эмпирические зависимости определения параметров работы дополнительных устройств аварийной вентиляции, при которой обеспечивается равномерный приток воздуха, допустимая концентрация не выше нормируемого значения предела распространения пламени по газовоздушным смесям; установить и обосновать эмпирические зависимости определения площадей и пространственных координат расположения приточных и вытяжных отверстий аварийной системы вентиляции с естественным или частично механическим притоком, обеспечивающей равномерное удаление воздуха из всего объема производственного помещения в зависимости от расположения технологического оборудования; провести количественную оценку удаляемых вредных веществ из производственного помещения при работе аварийной вентиляции в зависимости от отношения молярных весов вредного вещества и воздуха для определения требуемых аэродинамических характеристик вентиляционного оборудования.
Научная новизна работы заключается в следующем: предложены и обоснованы условия повышения эффективности аварийной вентиляции за счет создания дополнительных объемно-ориентированных приточно-вытяжных систем для равномерного удаления воздуха из всего объема производственного помещения для исключения образования застойных зон и обеспечения взрывобезопасности при выбросах вредных химических веществ; уточнена математическая модель изменения концентрации вредных химических веществ в зависимости от их удельного выделения, времени вентилирования помещения при условии обеспечения 10% нижнего предела распространения пламени по газовоздушным смесям и соблюдения равенства концентрации вредного вещества в рабочей зоне и в уходящем воздухе; адекватность полученной математической модели подтверждена на основании численного экспериментального исследования с учетом полученных данных величин кратности воздухообмена и времени работы аварийной вентиляции, при которой обеспечивается взрывобезопасность производственных помещений; предложены новые конструктивные элементы аварийной системы вентиляции в виде створок с переменной аэродинамической характеристикой для организации естественного притока воздуха; установлены эмпирические зависимости определения величины разрежения в помещении для раскрытия створки заданной массы в приточном отверстии на угол, при котором обеспечивается поступление наружного воздуха со скоростью не менее 0,2 м/с и исключается образование застойных зон; предложены граничные условия применения схем аварийной вентиляции с естественным или частично механическим притоком воздуха, учитывающие влияние ветрового давления и не допускающие температуру воздуха в помещении ниже +5С; предложены и экспериментально обоснованы расчетные зависимости определения площадей вытяжных отверстий при соблюдении соотношения площадей воздухоприемников и воздуховодов аварийной вентиляции не более 0,5, площадей приточных отверстий, их пространственных координат расположения в зависимости от количества и местонахождения технологического оборудования в производственном помещении; определены требуемые аэродинамические характеристики вентиляционного оборудования в зависимости от количества удаляемых вредных веществ, риска образования их концентрации выше 10% нижнего предела распространения пламени по газовоздушным смесям, дифференциации способов очистки с учетом отношения молярных весов вредного вещества и воздуха.
На защиту выносятся: аналитическая зависимость величины кратности воздухообмена от концентрации вредных химических веществ и нижнего предела распространения пламени по газовоздушным смесям при аварийном выбросе; условия повышения эффективности аварийной вентиляции, исключающие образование застойных зон и обеспечивающие взрывобезопасность в помещении; уточненная математическая модель изменения концентрации химических веществ при условии обеспечения 10% нижнего предела распространения пламени по газовоздушным смесям и соблюдения равенства концентрации вредного вещества в рабочей зоне и в уходящем воздухе; эмпирические зависимости определения параметров работы дополнительных устройств аварийной вентиляции, при которой обеспечивается равномерный приток воздуха; эмпирические зависимости определения площадей и пространственных координат расположения приточных и вытяжных отверстий аварийной системы вентиляции в зависимости от расположения технологического оборудования; определение аэродинамических характеристик вентиляционного оборудования на основе количественной оценки удаляемых вредных при работе аварийной вентиляции в зависимости от отношения молярных весов вредного вещества и воздуха.
Обоснованность и достоверность научных результатов, содержащихся в работе, подтверждается использованием основных фундаментальных законов аэрогазодинамики, математического аппарата теории обыкновенных дифференциальных уравнений и уравнений в частных производных, численных методов, математического аппарата теории вероятности, положений системного подхода к исследованию процессов возникновения аварийных ситуаций и защиты от них.
Практическое значение работы. Апробированы и внедрены новые методики и соответствующее программное обеспечение по предотвращению образования в помещении зон с концентрацией вредных веществ выше 10% нижнего предела распространения пламени по газовоздушной смеси, метод диффе- ренциации способов очистки аварийных выбросов с учетом отношения молярных весов вредного вещества и воздуха.
Реализация результатов работы. Разработана методика расчета: «Определение режимов работы аварийной вентиляции при исключении образования пожаровзрывоопасных смесей», внедренная в производство ДОАО «Газпроек-тинжиниринг», г. Воронеж. Акт внедрения приложен в диссертации.
Кроме того, результаты диссертации используются в процессе обучения студентов по дисциплинам: «Вентиляция», «Урбоэкология», «Охрана воздуш ного бассейна», «Технические средства и методы защиты окружающей среды» и при дипломном проектировании на факультете инженерных систем и соору жений ГОУ ВПО Воронежского государственного архитектурно-строительного і университета. Акт внедрения приложен в диссертации.
Личное участие автора состоит в разработке математических моделей, математических зависимостей, алгоритмов, проведении численных и экспериментальных исследований, внедрении методики количественной оценки аварийных выбросов вредных веществ, методов повышения эффективности аварийной вентиляции производственного помещения при массовых выбросах химических веществ.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались: на Международной научной конференции «Экология и безопасность жизнедеятельности» - Пенза, 2003; на Международных научно-практических конференциях «Высокие технологии в экологии» - Воронеж, Воронежское отделение Российской экологической академии, 2004 г.; «Экология: образование, наука, промышленность и 1 здоровье» - Белгород, 2004; на Международной научно-технической конференции «Теоретические основы теплогазоснабжения и вентиляции» - Москва, Московский государственный строительный университет (МГСУ) и Российское научно-техническое общество строителей, 2005; на 58, 59, 60 научной конференции профессорско-преподавательского состава, научных работников и аспирантов ГОУ ВПО Воронежского государственного архитектурно-строительного университета с участием представителей исследовательских, проектно-конструкторских, строительных и общественных организаций по кафедре отопления и вентиляции «Разработка математической модели рассеивания аварийных химических выбросов в приземном слое атмосферы с обеспечением её качества» - Воронеж, 2003; «Математическое моделирование прогнозирования воздействия вентиляционных систем предприятий t строительной индустрии при аварийном выбросе вредных веществ» - Воро- неж, 2004; «Разработка математической модели оценки экологического риска при воздействии систем вентиляции предприятий строительной индустрии на выбросы вредных веществ в атмосферу в случае возникновения аварийной ситуации» - Воронеж, 2005; «Прогнозирование и оценка экологического риска возникновения ущерба и формирование управляющих воздействий на экологическую ситуацию при авариях на химически опасных объектах» - Воронеж, 2005.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ, из них 3 - в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ. Общий объём публикаций 46 страниц, из них лично автором 36 страниц.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка литературы из 140 наименований. Общий объём работы - 166 страниц: 131 страница машинописного текста, 67 рисунков, 25 таблиц, 35 страниц приложения.
Кратко остановимся на структуре диссертации и рассмотренных вопросах.
Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель работы, поставлены задачи исследования; указаны научная новизна, положения, выносимые на защиту, практическая значимость, апробация и число публикаций; дана краткая аннотация работы.
В первой главе обусловлена необходимость исследования вопросов по повышению эффективности аварийной вентиляции производственного помещения с обеспечением взрывобезопасности при аварийных выбросах вредных химических веществ. Обзор научной литературы по теме диссертации проведён на глубину 10-15 лет по периодической печати, а по монографиям и учебникам за последние 50 лет. Последние научные исследования по прогнозированию риска при возникновении аварийных выбросов загрязняющих веществ проводились адресно и в ряде случаев вынужденно с отступлениями от действующих норм из-за разнохарактерности производственной деятельности химических предприятий. Существующие схемные решения устройства и расчет аварийной вентиляции заключаются в удалении воздуха из зон максимального скопления концентраций вредных веществ.
Вторая глава посвящена исследованию назначения аварийной вентиляции химических предприятий и установлению факторов, влияющих на повышение эффективности ее работы. Представлен новый подход к организации воздухообмена при устройстве аварийной вентиляции для удаления воздуха равномерно из всего объема производственного помещения с естественным притоком или частично механическим и естественным притоком. На базе экспериментально выполненных исследований получены математические зависимости по определению аэродинамических и геометрических характеристик системы аварийной вентиляции.
Третья глава посвящена разработке математических зависимостей количества удаляемого воздуха из производственного помещения, поступающего к рассеиванию или очистке, от продолжительности работы аварийной вентиляции. Определена величина вероятности возникновения аварийного выброса, определяющей величину риска образования взрывоопасных смесей в объеме вентилируемого помещения, в зависимости от установленной кратности воздухообмена аварийной вентиляции. Исследованы способы очистки и определены рациональные при аварийных выбросах вредных веществ в зависимости от их молекулярного веса, скорости на входе в очистное устройство, кратности воздухообмена аварийной вентиляции и высоты источника выбросов.
Четвёртая глава посвящена определению варианта устройства аварийной вентиляции при наименьших энергетических и материальных затратах.
Основные выводы содержат оценку вклада автора в проведенные в диссертации исследования и значимости полученных результатов.
Анализ существующих схемных решений систем аварийной вентиляции
Аварийная разгерметизация - неконтролируемое нарушение целостности и (или) герметичности элементов оборудования технологической системы, приводящее к возникновению взрыва в аппаратуре или выбросу горючих сред в атмосферу. Залповый выброс - кратковременный выброс большого количества горючих, взрывоопасных токсичных веществ в атмосферу при аварийной разгерметизации оборудования или по иным причинам. Пролив ВВ - вытекание при разгерметизации из технологических установок, ёмкостей для хранения или транспортирования ВВ или продукта в количестве, способным вызвать химическую аварию. Химически опасный объект - объект, на котором хранят, перерабатывают, используют или транспортируют ВВ, при аварии на котором или при разрушении которого может произойти гибель или химическое заражение людей, сельскохозяйственных животных и растений, а также химическое заражение окружающей природной среды. Нештатная ситуация - ситуация, при которой технологический процесс или состояние оборудования выходит за рамки нормального функционирования и может привести к аварии. Взрывоопасный технологический процесс - технологический процесс, проводимый при наличии в технологической аппаратуре материальных сред, способных вызвать взрыв при отклонении от заданных параметров процесса или состояния оборудования. Взрывоопасные вещества - вещества (материалы), способные образовывать самостоятельно или в смеси с окислителем взрывоопасную среду. Взрыв - быстропротекающий процесс высвобождения внутренней энергии, создающий избыточное давление. Взрыв мажет происходить с горением (процессом окисления) или без него. Внутренняя задача вентиляции - поддержание в помещении заданных метеорологических условий и чистоты воздуха. Внешняя задача вентиляции - достижение величины приземной концентрации ВВ равной предельно - допустимой.
Основные причины аварий могут быть: повреждение трубопроводов вследствие наружной коррозии, внешних воздействий (механических повреждений), брак при выполнении строительно-монтажных работ. Причиной загрязнения атмосферного воздуха может быть невыполнение проектных решений, связанных с обеспечением снижения выбросов в атмосферу загрязняющих веществ.
Источником выброса ВВ могут быть быстропротекающие самоускоряющиеся экзотермические реакции взаимодействия горючих веществ с окислителями или термического разложения нестабильных соединений [6]. Энергоносители химических взрывов могут быть твёрдыми, жидкими, газообразными веществами. Методический подход к прогнозированию вероятности возникновения аварии при значительном выбросе ВВ вентиляционными системами предприятий строительной индустрии развит недостаточно. Для качественной оценки химической обстановки при авариях необходимо решить задачу определения выбросов ВВ и влияния на них работы системы вентиляции. Моделирование процесса образования выброса ВВ при аварии на промышленном объекте основано на закономерностях подобия, в основу которых может быть положен принцип «кубического корня», сформулированный впервые в 1915 году Хопкинсоном и независимо от него Кранцем в 1926 году [6]. Принцип заключается в том, что если два заряда одного и того же вещества одинаковой формы, но разного размера, взрываются в одной и той же атмосфере, то подобные взрывные волны будут наблюдаться при одинаковом значении параметров расстояния:
Выброс ВВ на расстоянии от него R характеризуется амплитудой Р, продолжительностью t и импульсом і. Моделирование процесса распространения выброса ВВ в атмосфере при аварийной ситуации на промышленном объекте подобного количества размером Xd приведёт к подобному выбросу ВВ с амплитудой Р, но продолжительностью Xt и импульсом Xi на расстоянии XR. Согласно этому принципу с уменьшением количества ВВ в Я раз во столько же раз уменьшается и соответствующие метрические и временные характеристики выброса ВВ; давление, температура, плотность газа за пределами распространения в атмосфере выброса ВВ и плотность ВВ на расстоянии XR остаются неизменными. Основываясь на принципе закономерностей подобия Хопкинсона, можно определить для конкретного источника при различных количествах выброса ВВ разной продолжительностью времени радиус распространения ВВ в случае возникновения аварийной ситуации на промышленном предприятии без включения в работу аварийной вентиляции. Необходима постановка данной задачи при прогнозировании аварийного выброса ВВ и воздействия систем вентиляции на них.
Оценка химической обстановки заключается в определении степени риска, масштаба и характера загрязнения ВВ в анализе их влияния на деятельность объектов и населения. Процедура оценки степени риска включает проведение следующих операций по [33]: - идентификация опасного явления или ситуации. Исследования основных причин аварий; - количественная характеристика вероятности нежелательного события и величины ущерба в конкретном виде аварии и конкретных условиях; - определение вероятности события на основе статистического анализа событий на объектах, сходных с рассматриваемым; - определение величины ущерба для оборудования на основании данных обследования и сметной стоимости; - определение количества людей, животных и других биологических и природных объектов, подверженных действию неблагоприятных последствий аварийных выбросов; - оценка степени воздействия загрязнений на людей и экологические объекты (выражается в кратности норм ПДК во времени и пространстве). Оценка степени риска и создание условий аварийной безопасности на промышленных предприятиях является целью научных исследований, проводимых в настоящее время. Необходимо предотвратить аварию на промышленном объекте, максимально избежать поражения окружающей среды ВВ. Для заблаговременного и оперативного прогнозирования масштабов заражения на случай выбросов ВВ в окружающую среду при авариях (разрушениях) на промышленных объектах разработаны методики [6,17, 33,49, 87, 88, 90,92]. Исходными данными для прогнозирования масштабов заражения ВВ являются [33]: - общее количество ВВ на объекте и данные по размещению их запасов в емкостях и технологических трубопроводах; - количество ВВ, выброшенных в атмосферу, и характер их разлива в производственном помещении; - метеорологические условия: температура воздуха, скорость ветра на высоте 10 метров (на высоте флюгера), степень вертикальной устойчивости воздуха. Вероятность аварийного выброса ВВ из технологической системы определяется, прежде всего, наличием или образованием достаточных количеств взрывоопасных или других соединений, склонных к самоускоряющимся экзотермическим химическим превращениям. При очень высоких температуре и давлении и наличии катализирующих примесей взрывоопасными могут быть относительно стабильные вещества [6].
Определение неравномерности поля концентраций вредностей в объеме вентилируемого производственного помещения
Установлено, что в большинстве случаев при аварийном выбросе ВВ эффективность очистки при установке одного очистного устройства значительно ниже требуемого значения.
Для достижения ПДК ВВ при возникновении аварийной ситуации на выходе из очистного оборудования необходимо применение несколько параллельно установленных термосорбционных установок.
Таким образом, при термосорбционном способе очистки вентиляционных выбросов от галогенов и серосодержащих веществ, рассчитанного на критическое значение концентрации ВВ, не оказывается вредное влияние веществ в аварийном выбросе на окружающую природную среду.
Адсорбция - это поглощение вещества поверхностью чаще всего твёрдого поглотителя, называемого адсорбентом. Сорбент - это фаза, обычно более плотная, поглощающая вещества, входящие в состав другой фазы. Активными называются угли, специально обработанные для освобождения их пор от смолистых веществ и увеличения адсорбирующей поверхности. Исходными углеродосодержащими материалами для получения активных углей служат вещества растительного происхождения. В промышленности для поглощения газов и паров из воздуха применяются газовые угли. При адсорбции веществ с малыми размерами молекул определяющую роль играет мелкопористая структура, по характеру которой все активные угли делятся на две группы: с узким и широким распределением микропор. Угли первой группы характеризуются одной разновидностью микропор. Угли второй группы - двумя и более. В случае возникновения аварийной ситуации с массовым выбросом ВВ парциальное давление принимает высокое значение, таким образом значение равновесного количества адсорбированного ВВ относительно мало. Количество ВВ, поглощаемого единицей массы или объёма сорбента, не значительно. Активный уголь не принадлежит к числу химически стойких веществ, обладающих достаточной механической прочностью. Следовательно, использование активного угля в качестве адсорбента для очистки вентиляционных выбросов с высокой концентрацией ВВ влечёт за собой малый срок его службы. Силикагелем называется продукт обезвоживания геля кремневой кислотой. Силикагель представляет собой стекловидное пористое вещество, по химическому составу близкое к кварцевому песку. Благодаря большому количеству капилляров (при объёмном весе 500 - 650 кг/м3 объём капилляров составляет 70% [116]) является хорошим сорбентом гидрофильного характера. Сорбент принадлежит к числу химически стойких веществ, обладающих достаточной механической прочностью. Производится промышленностью в виде зерен и шариков. В зависимости от пористой структуры может быть двух сортов: мелкопористый и крупнопористый. Основным достоинством силикагеля по сравнению с активным углем является его способность выдерживать действие высоких температур. Однако в результате температурных колебаний силикагель растрескивается и рассыпается, увеличивая тем самым сопротивление прохождению газового потока. При сравнении силикагеля как поглотителя при адсорбции аварийных выбросов ВВ с активным углем следует отметить: - силикагель негорюч, таким образом, силикагелевые установки намного і пожаробезопаснее угольных; - силикагель принадлежит к числу химически стойких веществ, обла дающих достаточной механической прочностью. Он более механически прочен чем активный уголь, и имеет большой срок службы. Цеолиты представляют собой пористые кристаллические алюмосиликаты со строго регулярной кристаллической структурой. Они используются в промышленности для глубокой осушки и очистки газов и жидкостей, разделения смесей различных органических веществ, в качестве компонентов катализаторов. Общая формула цеолитов: МгО А120з# bSi02 Ш2О, где М - катион; b - коэффициент, характеризующий тип цеолита, иногда называемый силикатным модулем; к - количество молекул воды. В промышленности, как правило, используются цеолиты, полученные синтетическим путем - гидротермальной кристаллизацией щелочных алюмосили кагелей. Алюмогелем называются сорбенты, представляющие смесь нормального гидрата окиси алюминия А1(ОН)з с полигидратами окиси алюминия. По сорб-ционным свойствам он близок к силикагелю. Одним из параметров, характеризующим свойства адсорбента является насыпная плотность - это масса единицы объёма слоя адсорбента, включая объём пор и промежутков между частицами адсорбента. Основные параметры адсорбентов представлены в [111]. Адсорбционный способ очистки допустим при массовых выбросах как не взрывопожароопасных, так и пожаровзрывоопасных ВВ, мало растворимых ВВ, исключением являются лишь галогены и серосодержащие ВВ. Так как аварийная ситуация носит эпизодический характер, включается после получения сигнала от информационно-командного блока, то очистное оборудование должно отвечать следующим условиям: возможность продолжительного по времени нахождения в режиме ожидания без дополнительного обслуживания со стороны рабочего персонала, занимать в помещении рациональную площадь. Этим условиям адсорбционный способ очистки полностью удовлетворяет. Для ад- сорбционной установки не требуется отапливаемое помещение, длительно сохраняет свою работоспособность, исключается несанкционированное её включение в работу. При очистке массовых аварийных выбросов применяется адсорбционная установка периодического действия, приведённая в [102], схема которой показана на рисунке 3.17. Адсорбция - это массооб менный процесс, её кинетика описывается критериальными зависимостями Рейнольдса, Прандтля, Нуссельта, определяющими допустимую скорость газового потока, величину мас-соотдачи, время защитного действия адсорбента. В качестве адсорбентов наиболее часто используются активные угли, си-ликагели, цеолиты, алюмогели, имеющих низкую стоимость. По [102] уравнение изотермы адсорбции:
Прогнозная оценка риска при превышении концентрации вредных веществ над нормируемым его значением
Работа выполнена в обеспечение научно-исследовательской работы «Комплексная методика прогноза экологического риска и предотвращения потенциальной угрозы на химически опасных объектах» по заданию экологической инспекции Воронежской области, № гос. регистрации 29П от 18.05.2005.
Применение математического моделирования прогнозирования риска на химическом предприятии показало:
Модель прогнозирования аварий, разработанная в развитие методики [87], позволяет построить вероятное «дерево событий» при аварийном выбросе ВВ на основе характера технологического процесса, установления ВВ, характерных для данного производства, подхода к оценке вероятности каждого события, имеющего место при течении аварийного вентиляционного выброса взрывопожароопасных, невзрывопожароопасных ВВ и определения событий, исходом которых является выброс, требующий принятия мер по устройству средств локализации, вытяжной вентиляции и очистного оборудования.
Математическая модель динамики изменения концентраций ВВ в помещении при изменяющихся по величине выбросах взрывопожароопасных газовых вредностей позволяет определить время работы аварийной вентиляции, в течение которого концентрация ВВ в приземном слое атмосферы будет снижена до ПДКр3. 3. Математические зависимости оценки риска разработана в дополнение и развитие действующих методик прогнозирования риска возникновения аварийных выбросов ВВ на химически опасном объекте включает решение внутренней и внешней задачи вентиляции, учитывает характер технологического процесса, возможные варианты устройства аварийной вентиляции. 4. Алгоритм определения рационального решения средства обезвреживания выбросов и их рассеивания в окружающей природной среде позволяет установить метод и способ эффективного снижения антропогенной нагрузки на окружающую среду при аварии с учётом прогнозных показателей ожидаемых выбросов, характера выброса и токсичности вещества, длительности их воздействия. Установлено, что наиболее рациональным решением при выбросе пожа-ровзрывоопасных ВВ, имеющих малую растворимость является адсорбционный способ очистки, в случае выброса галогенов и серосодержащих ВВ - тер-мосорбционный способ. 5. Математические зависимости оценки технических, экономических и экологических параметров системы аварийной вентиляции и средств нейтрализации аварийных выбросов для различных объектов химической, нефтехимической и нефтеперерабатывающей отраслей промышленности позволяет принять решение по снижению приземной концентрации ВВ до предельно допустимой величины (ПДКрз) и определить в денежном эквиваленте величину причинённого вреда окружающей среде. 6. Разработанные методика и алгоритмы прогнозирования требуемых режимов работы аварийной вентиляции, обеспечивающих снижение воздействия выбросов ВВ, имеют обобщённый характер в относительных величинах независимо от вида производственной деятельности химических предприятий. 7. Разработанный метод позволяет химическим производствам обоснованно определить последствия возникновения аварийных вентиляционных выбросов, назначить и реализовать меры по выводу технических объектов на более высокий уровень технической надёжности, что явится важным дополнением к обоснованию надёжности объекта при составлении декларации о промышленной безопасности. 1. Установлено, что с точки зрения сокращения энергозатрат и затрат на технологическое оборудование при кратности работы аварийной вентиляции, меньшей 20 7Ч, целесообразно применение естественного притока воздуха, при кратности большей 20 7Ч, но меньше 50УЧ - частично механического притока воздуха, а при кратности большей 50УЧ - механического притока воздуха. 2. Расчёт экономических и материальных затрат в случае возникновения аварийных вентиляционных выбросах вредных веществ в производственном помещении по формулам (4.3) - (4.10) позволяет определить в денежном эквиваленте величину предотвращенного вреда на промышленном объекте и окружающей среде при учёте принятия мер по очистке выбросов и их рассеиванию. Полученные расчётом величины не превышают действующие экологические и социально - экономические нормы. 3. Расчёт социального риска по формулам (4.11) - (4.14) позволяет определить возможное количество человек пострадавших в результате аварийного ц выброса вредных веществ и оценить в денежном эквиваленте величину причи нённого вреда. 1. Установлена аналитическая зависимость, определяющая влияние количества и концентрации выбрасываемых вредных веществ на кратность воздухообмена аварийной вентиляции при условии 10% ограничения нижнего предела распространения пламени по газовоздушной смеси. Установлена ее адекватность на основании обработки статистических данных ранее выполненных исследований потери герметичности технологического оборудования. 2. Определены и обоснованы условия повышения эффективности аварийной вентиляции для обеспечения взрывобезопасности производственных помещений за счет создания дополнительных объемно-ориентированных систем естественного или частично механического притока и равномерного механического удаления воздуха из всего объема помещения для исключения образования застойных зон. 3. Уточнена математическая модель изменения концентрации вредных химических веществ в зависимости от их удельного выделения, времени вентилирования помещения при условии обеспечения 10% нижнего предела распространения пламени по газовоздушным смесям и соблюдения равенства концентраций вредного вещества в рабочей зоне и в уходящем воздухе. Адекватность математической модели подтверждена численным экспериментом, выполненным с учетом полученных данных по величинам кратности воздухообмена и времени работы аварийной вентиляции, при которых обеспечивается взрывобе-зопасность производственных помещений.
Оценка возможных затрат при аварийных выбросах вредных химических веществ
Исследования по определению социального риска при выбросе ВВ проведены на примере разгерметизации резервуара, расположенного на территории производственного помещения химического предприятия, имеющего объем 600 м3, температуру внутреннего воздуха 20 С. Плотность сжиженного пропана 530 кг/м3. Степень заполнения резервуара 80% (по объему). Удельная теплота сгорания пропана 4,6х 107 Дж/кг. Численность персонала, обслуживающего склад - 15 чел. Режим работы - трехсменный. С одной стороны производственного помещения от его внешней границы расположена территория садово-дачных участков с плотностью заселения 200 чел/км2. Далее находится жилая зона с плотностью заселения 2000 чел/км . Анализ статистики аварий показал, что вероятность выброса пропана из резервуара составляет 1х10 3 год 1. Схема территории производственного помещения и прилегающей к нему местности показана на рисунке 4.4.
Определение социального риска состоит из следующих этапов: 1. Выбирается расстояния от 100 до Rcolf=1000 м и через каждые 100 м и производится разделение территории, в пределах которой произошел выброс ВВ, на зоны, где Rcmf - расстояние, включающее территорию предприятия от источника выброса ВВ, садово-дачные участки, жилые застройки и другое. 2. Проводится разделение на зоны - А, Б, В и так далее, а именно для исследуемого объекта: - зона А - территория производственного помещения (количество человек, постоянно пребывающих в зоне А, - плА =15/3 = 5 человек); - зона Б - территория, занимаемая садово-дачными участками (количество человек, постоянно пребывающих в зоне Б, - ПЛБ= "ES, ( ЛБ - плотность заселения, S - площадь, занимаемая садово-дачными участками)); - зона В - территория, занимаемая жилой зоной (количество человек, постоянно пребывающих в зоне В, - плв = лв $ ( в - плотность заселения, S -площадь жилой зоны, плБ, плв - приведены в таблице 4.3)). 3. Для большей точности расчета территорию зон Б и В разделяется на подзоны (с II по VIII), следующие одна за другой через каждые 100 м (рисунок 4.4), и определяем число людей ПЛБ, п"в, постоянно пребывающих в этих подзонах (таблица 4.3). С помощью графика (рисунок 4.5) и формулы (4.14) определяем средние по подзонам I - VIII условные вероятности поражения человека (pf, Р?\Р"п)и ожидаемое число пострадавших людей N" при реализации соответствующих вариантов логической схемы (для подзоны I определение проводят по внешней границе зоны). Результаты определения для исследуемого объекта приведены в таблице 4.3. 4. На основании полученных результатов и с помощью формулы (4.26) определяем социальный риск. Таким образом, метод расчёта социального риска позволяет определить возможное количество человек пострадавших в результате аварийного выброса на химически опасном объекте и оценить в денежном эквиваленте величину предотвращенного вреда их здоровью. Работа выполнена в обеспечение научно-исследовательской работы «Комплексная методика прогноза экологического риска и предотвращения потенциальной угрозы на химически опасных объектах» по заданию экологической инспекции Воронежской области, № гос. регистрации 29П от 18.05.2005. Применение математического моделирования прогнозирования риска на химическом предприятии показало: 1. Модель прогнозирования аварий, разработанная в развитие методики [87], позволяет построить вероятное «дерево событий» при аварийном выбросе ВВ на основе характера технологического процесса, установления ВВ, характерных для данного производства, подхода к оценке вероятности каждого события, имеющего место при течении аварийного вентиляционного выброса взрывопожароопасных, невзрывопожароопасных ВВ и определения событий, исходом которых является выброс, требующий принятия мер по устройству средств локализации, вытяжной вентиляции и очистного оборудования. 2. Математическая модель динамики изменения концентраций ВВ в помещении при изменяющихся по величине выбросах взрывопожароопасных газовых вредностей позволяет определить время работы аварийной вентиляции, в течение которого концентрация ВВ в приземном слое атмосферы будет снижена до ПДКр3. 3. Математические зависимости оценки риска разработана в дополнение и развитие действующих методик прогнозирования риска возникновения аварийных выбросов ВВ на химически опасном объекте включает решение внутренней и внешней задачи вентиляции, учитывает характер технологического процесса, возможные варианты устройства аварийной вентиляции. 4. Алгоритм определения рационального решения средства обезвреживания выбросов и их рассеивания в окружающей природной среде позволяет установить метод и способ эффективного снижения антропогенной нагрузки на окружающую среду при аварии с учётом прогнозных показателей ожидаемых выбросов, характера выброса и токсичности вещества, длительности их воздействия. Установлено, что наиболее рациональным решением при выбросе пожа-ровзрывоопасных ВВ, имеющих малую растворимость является адсорбционный способ очистки, в случае выброса галогенов и серосодержащих ВВ - тер-мосорбционный способ. 5. Математические зависимости оценки технических, экономических и экологических параметров системы аварийной вентиляции и средств нейтрализации аварийных выбросов для различных объектов химической, нефтехимической и нефтеперерабатывающей отраслей промышленности позволяет принять решение по снижению приземной концентрации ВВ до предельно допустимой величины (ПДКрз) и определить в денежном эквиваленте величину причинённого вреда окружающей среде. 6. Разработанные методика и алгоритмы прогнозирования требуемых режимов работы аварийной вентиляции, обеспечивающих снижение воздействия выбросов ВВ, имеют обобщённый характер в относительных величинах независимо от вида производственной деятельности химических предприятий. 7. Разработанный метод позволяет химическим производствам обоснованно определить последствия возникновения аварийных вентиляционных выбросов, назначить и реализовать меры по выводу технических объектов на более высокий уровень технической надёжности, что явится важным дополнением к обоснованию надёжности объекта при составлении декларации о промышленной безопасности.
