В.Г. К А Л Ы Г И Н
ПРОМЫШЛЕННАЯ
ЭКОЛОГИЯ
Курс лекций
ББК20.1 я7
К 17
К а л ы г и н В.Г. Промышленная экология. Курс лекций. - М.: Изд-во МНЭПУ,
2000. - 240 с.
Рецензент:
В.А. Балин, к.т.н., доцент Московского государственного университета
инженерной экологии, чл.-корр. Международной академии наук экологии и
безопасности жизнедеятельности (МАНЭБ)
Материалы представляют собой конспект лекций по курсу «Промышленная
экология» (направление «Экология и природопользование») для студентов
экологического факультета МНЭПУ.
В учебном пособии рассмотрены на базе основных понятий экологической
безопасности, стандартизации и права вопросы промышленной экологии различных
отраслей промышленности. Используются приоритетные принципы формирования и
синтеза экологически безопасных и энергосберегающих технологий обезвреживания
отходов (газообразных, жидких и твердых). Приводится методика анализа влияния
технических параметров процессов и аппаратов (машин) на условия образования тех
или иных вредных выбросов в атмосферу, литосферу и гидросферу. Предлагаются к
рассмотрению новые технологии и оборудование, обладающие минимальным
отрицательным воздействием на биосферу. Излагаются экологические основы
устойчивого функционирования промышленных и коммунально-городских объектов
в чрезвычайных ситуациях и эволюционные направления систем предварительной
подготовки и вторичной переработки отходов. Материал лекций снабжен большим
справочным и иллюстрационным материалом.
Пособие
предназначено
для
студентов,
аспирантов,
инженеров,
инженерно-технических работников и других специалистов, а также факультетов
повышения квалификации сотрудников соответствующих отраслей.
The present course of lectures under the name of «The industrial ecology» («Ecology
and the use of nature» trend) is purposed for the students of Ecological department of the
IIUEPS.
This manual regards the principle problems of the industrial ecology on the base of
main principles of ecological security and ecological law. There are some advanced
methods of forming ecologically harmless and power saving new technologies of wastes
rendering (they mean solid, liquid and gaseous wastes) introduced. The analysis of
influence of technological processes and equipment upon some conditions of forming
dangerous discharges into the atmosphere, lithosphere and hydrosphere is also given. The
author suggests to regard new technology and new equipment which affect the biosphere
minimally. Also an ecological base of steady functioning of industrial objects and municipal
services in case of emergency is given as well as the developed systems of preparing and
salvaged refining of wastes are described. The whole course of lectures is provided by the
large reference and illustrative materials.
We intend this book for the students, post-graduates, engineers, specialists of
municipal services and others. Also this book might be used by specialists of refresher
courses departments.
ISBN 5-7383-0103-X
© В.Г. Калыгин, 2000 © МНЭПУ, 2000
3
СОДЕРЖАНИЕ
Т е м а I. Вопросы и задачи промышленной экологии
Лекция 1. Основополагающие определения и принципы экологической безопасности (экология и охрана биосферы) ..................................................................................... 5
Лекция 2. Источники техногенного загрязнения биосферы (в системе техносфера
- атмосфера - литосфера - гидросфера) ......................... ................ ......................................... 15
Лекция 3. Природоохранная деятельность на промышленных предприятиях.... 32
Лекция 4. Общие принципы системного анализа процессов и аппаратов экологически
чистых технологий............................................................................................................................ 52
Т е м а П. Процессы и аппараты (техника) для обеспечения экологической
безопасности и ресурсосберегающих технологий
Лекция 5. Очистка и переработка технологических газов, дымовых отходов и
вентиляционных выбросов ............................................... .......................................................... 60
Лекция 6. Очистка и повторное использование технической воды и промышленных стоков .............................................................................................................................. .... 89
Лекция 7. Рекуперация, вторичная переработка, хранение и использование
твердых отходов. Оценка технологий ...................................................................................... 115
Т е м а ! М . Виброакустические загрязнения (излучения, поля) окружающей
среды: механизм явления, нормирование и защита
Лекция 8. Производственный шум: механизм явления, нормирование и методы
защиты............................................................................................ .................................................. 148
Лекция 9. Вибрация: механизм явления, нормирование и методы защиты ....... 157
Т е м а IV. Неионизирующие и ионизирующие загрязнения (излучения, поля)
окружающей среды: механизм явления, нормирование, безопасные
технологии и защита
Лекция 10. Неионизирующие излучения. Электромагнитное загрязнение биосферы: опасность, оценка, технические средства защиты ................................................ 163
Лекция 11. Ионизирующие поля и излучения: опасность, оценка, технические
средства защиты. Безопасные технологии ......................................................................... .. 174
Т е м а V. Промышленные аварии и техногенные чрезвычайные ситуации.
Лекция 12. Экологическая безопасность человека, биосферы и промышленных (инженерных) объектов в условиях техногенных чрезвычайных ситуаций
(ТСЧ) и аварий .......................................................... ...............................................................190
Т е м а VI. Новые экологически чистые (безопасные) производства
Лекция 13. Приоритетные пути развития и реализации новых технологий, отвечающих требованиям промышленной экологии................ ............................................. 207
CONTENTS
T o p i c i. Problems and purposes of the industrial ecology .......................................... 5
T o p i c II. Processes and equipment to provide ecological safety and resources
saving technologies ................................................................................................................ 60
T o p i c III. Vlbroacoustic pollution (radiation, fields): mechanism of phenomenon, standardization and protection....................................................................... 148
T o p i c IV. Non-ionized and ionized pollution (radiation, fields) of environment: mechanism of phenomenon, standardization, safe technologies and
protection....................... ................................................................................................. 163
T o p i c V. Some industrial accidents and technical emergences................... 190
T o p i c VI. New ecologically safe manufactures.............................................. 207
Т е м а I. ВОПРОСЫ И ЗАДАЧИ ПРОМЫШЛЕННОЙ ЭКОЛОГИИ
Лекция 1. ОСНОВОПОЛАГАЮЩИЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ И ПРИНЦИПЫ
ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ (ЭКОЛОГИЯ И ОХРАНА БИОСФЕРЫ)
1.1. Экология и другие классификационные структуры
Интенсивное развитие хозяйственной деятельности людей (потребности производство - потребление), деградация природных экосистем, аварии и
катастрофы на промышленных и оборонных объектах явились разрушительным
воздействием на окружающую среду и привели природу к состоянию кризиса,
грозящего экологической катастрофой (с вытекающими последствиями для
здоровья населения).
Поэтому перед человечеством встала задача рационального природопользования в сочетании с эффективным снижением отрицательного воздействия
промышленного производства на окружающую природную среду (биосферу).
Биосфера - это оболочка Земли, обусловленная прошлой или современной
деятельностью живых организмов. По определению академика В.И. Вернадского,
биосфера - часть Земного шара, в пределах которой существует жизнь. Биосфера
охватывает часть атмосферы (примерно до озонового слоя), верхнюю часть
литосферы, так называемую кору выветривания (2-3 км в глубь Земли) и
гидросферу. Биосфера сформировалась на нашей планете около 4 млрд лет
назад. Венцом развития биосферы явился человек (эволюция: мускульная паровая - электрическая - атомная энергия). На Земле появились созданные
человеком заводы, фабрики, транспортные системы, объекты ядерной техники.
Весь этот искусственно созданный технический мир назвали техносферой.
Технический мир находится в явном противоречии с законами жизни на Земле
(и естественными экологическими системами) - идет объективное разрушение
окружающей среды. С другой стороны, диалектика взаимодействия общества и
природы ставит задачу лишь о различной глубине этих противоречий и о разных
возможностях (путях) их разрешения. Таким образом, рождается ряд вопросов,
связанных с качеством окружающей среды и жизни человека.
Вся эта область задач и вопросов является предметом экологии. Термин
«экология» (греч. корни: oikos - жилище, местопребывание, дом; logos - учение,
наука) предложил в 1866 г. немецкий биолог Э. Геккель. Экология - наука о
5
взаимоотношениях между живыми организмами и средой обитания. Современная
экология изучает также взаимодействие человека и биосферы, общественного
производства с окружающей его природной средой и другие проблемы [1]. В
настоящее время экология является научной базой для развития прикладной
экологии: охраны окружающей среды (или охраны природы), защиты биосферы,
инженерной экологии, промышленной экологии, экологической безопасности и
других самостоятельных подразделений, составляющих многоплановую
дисциплину экологии.
К этому комплексу относятся законодательные, организационные, санитарно-гигиенические, инженерно-технические и другие мероприятия, предупреждающие или снижающие вредное воздействие результатов деятельности
человека на биологические системы.
Наряду с проблемами теоретической экологии большую актуальность
приобрели проблемы ее прикладных ответвлений, связанных с решением задач по
идентификации и оценке опасностей антропогенных воздействий, защите
окружающей среды и обеспечению высокого уровня жизни людей. К числу такого
рода проблем относится вопрос экологической безопасности, формирования,
прогнозирования антропогенных загрязнений и химического мониторинга.
Понятия экологическая обстановка, экологическая опасность (безопасность) и
ресурсосбережение в настоящее время широко применяются при рассмотрении
многих экологических проблем, особенно прикладного характера [2]. Большое
распространение находят такие понятия, как химическая обстановка, химическая
опасность (безопасность), радиационная обстановка, допустимые уровни шума,
электромагнитных излучений и другие, относящиеся к частным областям
взаимодействия природы с живыми организмами.
Например, экологическая безопасность трактуется как любая деятельность
человека, исключающая вредное воздействие на окружающую среду [3]. Под
экологической безопасностью понимают также положение, при котором путем
правового нормирования, выполнения экологических, приро- дозащитных и
инженерно-технических требований достигается предотвращение или ограничение
опасных для жизни и здоровья людей, разрушительных для народного хозяйства и
окружающей среды последствий экологических катастроф [4].
Понятие окружающая среда трактуется как совокупность всех материальных
тел, сил и явлений природы, ее вещество и пространство, любая деятельность
человека. Окружающая среда - это совокупность абиотической (компоненты и
явления неживой, неорганической природы: климат, свет, химические элементы и
вещества, температура), биотической (факторы взаимодействия особей и видов
между собой: конкуренция, паразитизм и др.) и социальной среды, совместно
оказывающих влияние на человека и его деятельность.
Понятие природная среда является более узким. Оно включает в себя
совокупность объектов и условий природы, в которых протекает деятельность
какого-либо субъекта [5].
К факторам, проявляющимся в результате деятельности человека, относятся
антропогенное и техногенное воздействие на природную среду.
Под антропогенным воздействием имеется в виду любой вид хозяйственной
деятельности в его отношении к природе. Техногенное воздействие понимается
6
несколько уже - это целенаправленный процесс технической (в том числе
геологической) деятельности человека в биосфере и околоземном пространстве.
В зависимости от вида антропогенного воздействия (рис. 1.1.) понятие
экологическая безопасность может трансформироваться в широко применяемое
на практике понятие химической безопасности.
Р и с . 1.1. Схема форм загрязнения (загрязнений)
Химическая безопасность - это совокупность определенных свойств
объектов окружающей среды и создаваемых условий, при которых (с учетом
экономических, социальных факторов и научно обоснованных допустимых
дозовых нагрузок химических вредных веществ) удерживаются на разумно низком,
минимально возможном уровне риска возникновение аварий на химически
опасных объектах, прямое и косвенное воздействие этих веществ на окружающую
среду и человека, и исключаются отдаленные последствия влияния химически
вредных веществ для настоящего и последующих поколений [6].
Поддержание и обеспечение экологической (химической) обстановки на
приемлемом уровне по определяющим ее параметрам во многом достигается
целенаправленной деятельностью людей. Эта деятельность, выражающаяся в
определенных
мероприятиях,
называется
экологическим
(химическим)
обеспечением.
Экологическое обеспечение - это комплекс мероприятий организационно-технического, социально-экономического, правового регулирования и других,
направленных на сохранение и восстановление качества природной среды, а
также обеспечение высокого уровня жизни людей в процессе функционирования
народно-хозяйственных, культурно-бытовых и других объектов и структур.
Экологизация - процесс неуклонного и последовательного внедрения систем
технологических, управленческих и других решений, позволяющих повышать
эффективность использования естественных ресурсов и условий наряду с
7
улучшением или хотя бы сохранением качества природной среды на локальном,
региональном и глобальном уровнях [2].
Экологизация технологий (производств) - мероприятия по предотвращению
отрицательного воздействия производственных процессов на природную среду.
Осуществляется путем разработки малоотходных (ресурсосберегающих)
технологий, аппаратов и оборудования, дающих на выходе минимум вредных
выбросов (см. рис. 4.2).
Экологизированные технологии - производственные процессы и производства, которые не нарушают естественные круговороты в природе, сводят до
минимума поступление загрязняющих веществ в биосферу и гармонично
вписываются в природные условия [2].
В их основу должны быть положены с л е д у ю щ и е п р и н ц и п ы :
1. Пространственная компактность: каждое предприятие должно занимать
минимально разумную территорию, а его цеха и отделы - работать по принципу:
создание экологически чистой продукции ее сбыт возврат отходов в производство.
2. Малоотходность (теоретически безотходность) технологий и производств.
3. Замкнутость производственных циклов, что позволяет сохранить в
чистоте природную среду и уменьшить потребление природных ресурсов.
4. Возможность вторичной переработки (рекуперации) отходов до такой
степени, чтобы сделать их допустимыми для разложения и включения в
естественные круговороты.
Теперь, опираясь на основные понятия экологии и ее прикладных ответвлений,
можно рассматривать и устанавливать главные способы (методы) разрешения
конфликта человека с природой, сохранение высокого качества окружающей среды
и здоровья населения.
Комплексное решение данной задачи возможно лишь при владении
специалистом того или иного производства знаниями в области экологии,
позволяющими ему оценивать свои технологии с позиций охраны окружающей
среды, то есть обладать экологическим мышлением. Мы должны перейти в новое
состояние, имя которому ноосфера, то есть сфера разума (В.И. Вернадский, 1920).
У человечества нет иного выбора. Ноосфера - сфера взаимодействия природы и
общества, в пределах которой разумная деятельность человека становится
определяющим фактором.
Триада «биосфера - техносфера - ноосфера» - это системное образование
современности, обладающее внутренним единством и логикой развития.
Логической основой этого образования являются следующие практические
разделы экологии как науки.
Прикладная экология - дисциплина, изучающая механизмы разрушения
биосферы человеком, способы предотвращения этого процесса и разрабатывающая принципы рационального использования природных ресурсов без
деградации среды жизни [1, 2].
Инженерная экология - дисциплина, изучающая общие и локальные
закономерности формирования техносферы и способы управления ею в целях
защиты и безопасности природной среды [2], или система инженерно-технических
8
мероприятий, направленных на сохранение качества среды в условиях растущего
промышленного производства [7].
Промышленная экология - дисциплина, рассматривающая воздействие
промышленности - от отдельных предприятий до техносферы - на природу и,
наоборот, - влияние условий природной среды на функционирование предприятий
и их комплексов [8].
Фактически, исходя из вышеупомянутых определений, существуют две группы
задач охраны окружающей природной среды (ООПС): экологические и
инженерные, причем первые могут решаться с помощью вторых.
1.2. Экологизированные (ресурсосберегающие) технологии
Малоотходные (безотходные) технологии и замкнутые циклы - одна из самых
радикальных мер защиты окружающей среды от загрязнений. Ниже
сформулированы четыре о с н о в н ы х н а п р а в л е н и я их развития (в
соответствии с Декларацией о малоотходной и безотходной технологии и
использовании отходов - Женева, 1979 г.):
1. Создание бессточных технологических систем различного назначения на
базе существующих и перспективных методов очистки и повторно-последовательного использования нормативно очищенных стоков.
2. Разработка и внедрение систем переработки промышленных и бытовых
отходов, которые рассматриваются при этом как вторичные материальные
ресурсы (BMP).
3. Разработка технологических процессов получения традиционных видов
продукции принципиально новыми методами, при которых достигается
максимально возможный перенос вещества и энергии на готовую продукцию.
4. Разработка и создание территориально-промышленных комплексов (ТПК) с
возможно более полной замкнутой структурой материальных потоков и отходов
производства внутри них.
Безотходная технология - экологическая стратегия промышленного
производства, включающая комплекс мероприятий, обеспечивающих минимальные потери природных ресурсов при максимальной экономической
эффективности [9].
Критерием безотходной технологии является такое комплексное использование
сырья и энергии, при котором процесс производства продукции не сопровождается
загрязнением окружающей среды. При этом техногенный круговорот сырья,
продукции и отходов предопределяют замкнутость производственного цикла, что
по существу и составляет основу безотходной технологии. Принцип безотходной
технологии затрагивает все звенья производственной деятельности: разработку
новых технологических рецептов, аппаратурного оформления, экономических,
экологических мероприятий и т.д. По официальному определению
(Международный семинар по малоотходной технологии, Ташкент, 1984),
«безотходная технология - это такой способ осуществления производства
продукции, при котором наиболее рационально и комплексно используются сырье
и энергия в цикле: сырьевые ресурсы - производство - потребление -
9
вторичные ресурсы, таким образом, что любые воздействия на окружающую
среду не нарушают ее нормального функционирования».
К концепции безотходной технологии существует два подхода. Один из них
основан на законе сохранения вещества, в соответствии с которым сырье
(материя) всегда может быть преобразовано в ту или иную продукцию.
Следовательно, можно создать такой технологический цикл, в котором все
экологически опасные вещества будут преобразовываться в безопасный продукт
или исходное сырье. Согласно другому подходу, полностью безотходную
технологию нельзя создать ни практически, ни теоретически (подобно тому, как
энергию нельзя полностью перевести в полезную работу в соответствии со вторым
законом термодинамики, так и сырье невозможно полностью перевести в полезный
экологически безопасный продукт). Другими словами, полностью безотходная
технология - это идеальная система, к которой должен стремиться всякий
реальный технологический цикл, и чем больше будет это приближение, тем
меньшим будет экологически опасный след [10].
В этом отношении более реальной является так называемая малоотходная
технология, под которой понимается такой способ производства продукции, когда
вредное воздействие на окружающую среду доведено до санитарно-гигиенических
норм и соответствующих предельно допустимым концентрациям ПДК.
Иногда используют понятие экологически чистая технология, подразумевая
такой метод производства продукции, при котором сырье и энергия применяются
настолько рационально, что объемы выбрасываемых в окружающую среду
загрязняющих веществ и отходов сведены к минимуму.
Таким образом, приняв за основу, что полностью безотходная технология - это
идеальная модель производства, можно утверждать, что и малоотходная
технология требует определенных корректирующих коэффициентов, оценивающих
степень их приближения к безотходной.
Так, например, для химической промышленности коэффициент безотходности:
k g » f кМркэркэ,
где f - эмпирический коэффициент; кмр - коэффициент использования материальных ресурсов; кэр - коэффициент полноты использования энергетических
ресурсов; кэ - коэффициент соответствия экологическим требованиям.
Для угольной промышленности: к б =
0,33 (к п +к в +к пг ),
где кп _ коэффициент использования породы, образующейся в результате горных
работ; кв - коэффициент использования попутно забираемой воды, образующейся
при добыче угля; кпг - коэффициент использования пылега- зовых отходов.
В общем случае для оценки степени совершенства технологического процесса,
учитывая взаимодействие с окружающей средой, за критерий безотходности
принят коэффициент экологического действия (к.э.д.), определяемый как:
10
k-
Вф вт + вп
где Вт - теоретическое воздействие, необходимое для производства; Вф фактическое воздействие; Вп - воздействие, определяемое конкретным
производством.
Если Вф » Вт> то К 0, то есть данное производство абсолютно не учитывает
требований экологической безопасности, что неизбежно ведет к так называемому
экологическому «просчету» или экологическому «бумерангу». Чем выше значение
коэффициента экологического воздействия К, тем более совершенно производство
с учетом воздействия на окружающую среду, тем более существенно приближение
к безотходной технологии [11].
1.3. Международный контроль и государственное управление качеством
окружающей среды
Международное сотрудничество в области охраны природы и природопользования осуществляется обычно по схеме: проведение международных
совещаний - заключение договоров - создание международных правительственных и неправительственных организаций - разработка и
координация программ экологической безопасности.
Решение этого комплекса задач принципиально возможно только на основе
согласованного международного сотрудничества. Значительные усилия РФ и
иностранных партнеров в этой области в соответствии с Программой ООН по
охране окружающей среды (ЮНЕП) позволили разработать и принять следующие
международные документы: декларацию Стокгольмской конференции ОНН по
окружающей среде (1972 г.), Лимскую декларацию руководящих принципов
контроля (IX конгресс Международной организации высших контрольных органов,
1977 г.), Всемирную стратегию охраны природы (1982 г.), Хартию
предпринимательской деятельности в интересах устойчивого развития (2-я
Всемирная промышленная конференция, 1991 г.), Международную конвенцию об
оценке воздействия на окружающую среду в транспограничном контексте
(Европейская экономическая комиссия ООН, 1991 г.), декларацию Конференции
ООН по окружающей среде и устойчивому развитию (Рио-де-Жанейро, 1992 г.) и
др., а также создать международные правительственные и неправительственные
организации (программы):
- Программа Организации Объединенных Наций по окружающей среде
(ЮНЕП), с 1972 г, штаб-квартира в Найроби (Кения);
- Программа ЮНЕСКО «Человек и биосфера (МАВ)», с 1971 г., штаб- квартира
в Париже;
- Люцернская декларация министров стран по формированию организационной инфраструктуры, 1993 г.;
- Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ);
- Всемирная метеорологичекая организация (МВО);
- Международный Союз Охраны Природы (МСОП), с 1948 г., штаб-квартира в
Гланде (Швейцария);
11
- Международный Зеленый Крест (МЗК), с 1993 г., штаб-квартира в Гааге и др.
Кроме ООН и ЮНЕСКО в области охраны окружающей среды работают Совет
Европы, Европейское сообщество, Европейская экономическая комиссия,
Сообщество северных стран и др.
Охрана окружающей среды в современных условиях развития промышленности, транспорта, коммунальных служб и сельского хозяйства является одной
из важнейших задач экологической безопасности нашего государства.
В Конституции (Основном Законе) РФ определены материальная основа, цели
и задачи, принципы и формы всей деятельности по охране природы.
Важнейшими законодательными актами являются Закон РФ «О безопасности»
(1992 г.), Положение об образовании Межведомственной комиссии Совета
безопасности РФ по экологической безопасности (1993 г.), Постановление
Правительства РФ «О специально уполномоченных органах государственного
управления в области охраны окружающей среды» (1992 г.), Положение о
Государственном комитете РФ по делам гражданской обороны, чрезвычайным
ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий (1992 г.), Положение о
Межведомственной комиссии по проблеме геологического обеспечения
безопасного захоронения радиоактивных отходов (1993 г.), Постановление
Правительства РФ «Об утверждении порядка определения платы и ее предельных
размеров за загрязнение окружающей природной среды, размещение отходов,
других видов вредного воздействия» (1992 г.), Закон РФ «О градостроительстве в
РФ» (1992 г.), Постановление Совета Министров, Правительства РФ «О
государственной экспертизе градостроительной и проектно-сметной документации
и утверждении проектов строительства» (1993 г.) и др.
Возможности права в охране окружающей природной среды (ООПС),
обеспечении рационального использования природных ресурсов, экологической и
промышленной безопасности (ЭБ и ПБ) осуществляются на уровнях
федерально-республиканском - автономных образований - краев, областей городов Москвы и Санкт-Петербурга - местном.
Специально уполномоченные государственные органы ООПС и ЭБ Государственный комитет РФ по охране окружающей среды (Госкомэко- логия
России) и его подразделения на местах. Иные центральные органы федеральной
исполнительной власти, осуществляющие отдельные экологические функции:
Федеральный горный и промышленный надзор России (Горгортехнадзор),
Федеральный надзор России по ядерной и радиационной безопасности
(Госатомнадзор
России),
Государственный
комитет
санитарно-эпидемиологического надзора РФ (Госкомсанэпиднадзор России),
Министерство Российской Федерации по делам гражданской обороны,
чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий (МЧС
России); Федеральная служба России по гидрометеорологии и мониторингу
окружающей среды, Министерство внутренних дел РФ (МВД России),
Государственный комитет РФ по делам архитектуры и строительства (Госстрой) и
др.
12
1.4. Контроль качества окружающей среды
При обосновании требований к параметрам биосферы необходимо знать
оценку различных факторов и состояние элементов окружающей среды до и после
вредного воздействия. При этом большое значение имеют методы и
организационные формы проведения экологического контроля (мониторинга) в
стране и на местах [12].
При рассмотрении методов не следует забывать, что состояние биосферы
изменяется под влиянием как естественных, так и антропогенных (техногенных)
воздействий [13].
Контролем естественных изменений состояния природной среды занимаются
геофизические службы. Контролем изменений состояния природной среды под
влиянием жизнедеятельности человека занимаются службы экологического
мониторинга. В общем случае под мониторингом понимается комплексная система
наблюдений, оценки и прогноза изменений окружающей среды под влиянием
антропогенных воздействий.
Создание универсальных методов измерения вредных выбросов как в
атмосфере, так и в локальных выбросах представляет сложную метрологическую
задачу. Главным образом это связано с тем, что вещества-загрязнители
характеризуются многими параметрами, что затрудняет однозначное определение
их концентраций и идентификацию. В зависимости от области применения
измерительную аппаратуру делят на основные группы: 1 - приборы (весовые,
радиоизотопные, оптические, индукционные и др.), предназначенные для контроля
запыленности атмосферного воздуха и воздуха рабочей зоны; 2 - приборы
(весовые, оптические, электрические, лазерные и др.) для измерения содержания и
дисперсного состава пыли в аспирационных (вентиляционных) выбросах; 3 приборы для анализа воздуха и водных сред (хроматографические,
масс-спектрометрические, спектральные, электрохимические).
Существует классификация систем мониторинга по учитываемым факторам и
источникам воздействий, реакциям основных составляющих биосферы на эти
воздействия, методам наблюдения и т.п. Наиболее представительной является
Единая государственная система экологического мониторинга (ЕГСЭМ),
сочетающего как геофизические, биологические, так и техногенные аспекты.
Организационные формы проведения экологического контроля можно
представить следующим образом.
Государственная экологическая экспертиза (ГЭЭ) проводится с целью
установления правильности определения заказчиком хозяйственной и (или) иной
деятельности, возможных экологических и связанных с ними социальных и
экономических последствий ее осуществления, а также полноты и достаточности
предусмотренных им мер по предотвращению отрицательных экологических
последствий. ГЭЭ проводят специально уполномоченные на это экспертные
органы системы Госкомприроды РФ. Главными задачами ГЭЭ являются:
рассмотрение представленной документации в соответствии с нормами и
правилами проведения экспертизы; подготовка заключения для представления его
на рассмотрение органов (лиц), принимающих решение о возможности и сроках
реализации намеченных мероприятий; контроль за выполнением условий,
13
принятых к реализации проектов хозяйственной и (или) иной деятельности,
прошедших ГЭЭ и получивших ее положительное заключение.
Экологическое аудирование (ЭА) - вид деятельности по управлению
качеством окружающей среды. В общем же виде ЭА можно определить как
добровольную внутреннюю самопроверку деятельности некоторой производственной структуры с целью приведения этой деятельности в соответствие с
документами, регламентирующими природопользование, и сокращение тем самым
существующего и потенциального экологического и финансового ущерба из-за
несоблюдения этих регламентирующих документов. Эффективность программ ЭА
обеспечивают с л е д у ю щ и е п о л о ж е н и я :
1. Непременная поддержка ЭА и оценка его результатов руководством
предприятия.
2. Независимость функции ЭА от реализуемой деятельности.
3. Профессионализм группы аудиторов.
4. Четко обозначенные цели, рамки, ресурсы и частота проведения экологического аудирования.
5. Адекватность процесса сбора, анализа, интерпретации и документирования
результатов целям аудирования.
6. Наличие специальных процедур (алгоритмов), обеспечивающих объективное изложение результатов ЭА в письменных отчетах.
7. Мероприятия, гарантирующие качество ЭА.
Оценка воздействия на окружающую среду (ОВОС) ~ заключение о
воздействии хозяйственного объекта на окружающую среду, составленное в
соответствии с утвержденными правилами. С 1988 г. требование о проведении
ОВОС было распространено на все сферы деятельности [2,14].
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Кормилицын В.И., Цицкишвили М.С., Яламов Ю.И. Основы экологии. М.: Изд-во
МПУ, 1997. 368 с.
2. Мазур И.И., Молдаванов ОМ, Шишов В.И. Инженерная экология. Общий курс. В 2 т.
Т. 2. М.: Высшая школа, 1996. 655 с.
3. Дедю ИМ. Экологический энциклопедический словарь. Кишинев: Гл. ред.
Молдавской энциклопедии, 1990.
4. Винюков К.М., Дебабов С.А, Прохоцкий И.Г. Система предупреждения к действию
в чрезвычайных ситуациях. Минск: Полымя, 1992.
5. Протасов В.Ф., Молчанов A3. Словарь экологических терминов и понятий. М.:
Финансы и статистика, 1997.160 с,
6. Измалков В.И. Экологическая безопасность, методология прогнозирования антропогенных загрязнений и основы построения химического мониторинга окружающей
среды. СПб: НИЦ экологической безопасности, 1994. 132 с.
7. Стадницкий Г.В., Родионов А.И. Экология. СПб: Химия, 1996. 240 с.
8. Реймврс Н.Ф. Природопользование. Словарь-справочник. М.: Мысль, 1990. 595 с.
9. Экологический словарь/Сост.: С. Делятицкий, И. Зайонц, Л. Чертков, В. Эдарьян. М.: Конкорд Лтд - Экопром, 1993. 208 с.
10. Богдановский Г.А. Химическая экология. М.: Изд-во МГУ, 1994. 237 с.
11. Бондарева ТМ. Экология химических производств. М.: Изд-во МИХМ, 1986.92 с.
12. Афанасьев /О. А, Фомин С.А. Мониторинг и методы контроля окружающей
среды. Ч. I. М.: Изд-во МНЭПУ, 1998. 208 с.
14
13. Калыгин В.Г., Попов ЮЛ. Порошковые технологии: экологическая безопасность
и ресурсосбережение. М.: Изд-во МГАХМ, 1996. 212 с.
14. Букс И.И., Фомин С.А. Экологическая экспертиза и оценка воздействия на окружающую среду (ОВОС). М.: Изд-во МНЭПУ, 1999.128 с.
Лекция 2. ИСТОЧНИКИ ТЕХНОГЕННОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ БИОСФЕРЫ
(В СИСТЕМЕ ТЕХНОСФЕРА - АТМОСФЕРА - ЛИТОСФЕРА - ГИДРОСФЕРА)
Характеристика загрязнений
Современные объемы производства и его интенсификация, несмотря на
усовершенствование технологии и техники очистки выбросов (отходов),
повлекли за собой увеличение общей массы вредных веществ (ВВ), вносимых
в атмосферу. Возросла энерговооруженность производства и соответственно
количество сжигаемого топлива и образующихся дымовых газов: считается, что
выработка электроэнергии и объем промышленного производства удваиваются
каждые 7-10 лет.
В атмосферу выбрасывается ежегодно 200 млн т оксида углерода, 150 млн т
диоксида серы, 50 млн т оксидов азота (в основном N02), более 50 млн т
различных углеводородов и 20 млрд т С02 [1]. За последние десятилетия
потребление минеральных и органических сырьевых ресурсов резко возросло: в
1913 г. на одного жителя Земли ежегодно расходовалось 5 т минерального
сырья, в 1940 г. - 7,4, в 1960 г. - 14,3, а в 2000 г. потребление может достичь 40-50
т [2]. Соответственно возрастают и объемы отходов промышленного и
коммунально-бытового происхождения (та б л . 2.1 - по Н. Торочешникову и др.).
15
Таблица 2.1
Структура и объем отходов производства в мире, млн т
Производство (эксплуатация)
Категория отходов
Годы «классической»
энергии
промыш- сельсколенного хозяйстсектора
венного
сектора
коммунальнобытово
го
сектора
873
2773
Всего
3
13
1000
3000
4
20
30 50
241 721
9400
24000
180 320
9580
24320
15383
40849
2090
6176
39126
104094
Основные газообразные 1970 17326
вещества атмосферы
2000 43980
47 226
1460
3780
Выброс твердых частиц 1970
2000
в атмосферу
Твердые отходы
1970
2000
Углеводороды
1970
2000
1970
Органические отходы
2000
91 382
14 42
Фекальные отходы
Итого
1970
2000
133 284
—
42 140
4000
12000
14 57
—
:
_
1970 17501
2000 44404
—
4152
12665
—
9
27
4500
13000
19706
50459
5000
15000
69 244
4530
13050
Анализ данных о состоянии окружающей природной среды РФ показывает,
что суммарное количество выбросов в атмосферу от промышленных источников
в 1991 г. составило около 32 млн т вредных веществ. Из них около 9,2 млн т
падает на диоксид серы, около 3 млн т - на оксиды азота, около 7,6 млн т - на
оксид углерода, около 3,5 млн т - на углеводороды,
около 1,7 млн т - на летучие органические соединения, около 6,4 млн т - на твердые
вещества. В выбросах содержатся специфические ВВ с достаточно высокой
токсичностью: сероуглерод, фтористые соединения, бенз(а)- пирен, сероводород и
др. Их количество не превышает 2% от общей массы выбросов.
Общее количество взвешенных частиц, поступающих в атмосферу в
результате многообразной деятельности человека (по данным экспертов
Европейской экономической комиссии), становится соизмеримым с количеством
загрязнений естественного происхождения. Следует отметить, что наблюдения за
состоянием атмосферного воздуха в стране за период 1988 -1996 гг.
свидетельствуют о снижении средних концентраций взвешенных веществ,
растворимых сульфатов, аммиака, сажи, сероводорода вследствие спада
производства и закрытия ряда предприятий [2]. Проведенный в 1990 г. анализ
состава промышленных выбросов и автотранспорта в 100 городах СССР показал,
что 85% общего выброса вредных веществ в атмосферу составляют сернистый
газ, оксиды углерода и аэрозольная пыль. Половина оставшихся 15%
специфических вредных веществ приходится на углеводороды, другая половина 16
на аммиак, сероводород, фенол, хлор, сероуглерод, фтористые соединения,
серную кислоту.
Загрязнение биосферы - результат выбросов загрязняющих веществ или
некоторых видов энергии (например, электромагнитные поля) из различных
источников. Загрязнители (контаминанты) могут иметь естественное
(природное) и искусственное (антропогенное) происхождение. По своему
физическому состоянию, например, загрязнители атмосферы делятся на твердые
(пыли, дымы), жидкие (туманы), газообразные (газы, пары) и комбинированные. От
общей массы выбрасываемых в атмосферу веществ газы (пары) составляют около
90%. По оценке ВОЗ (см. лекцию 1), из более чем 6 млн известных химических
соединений практически используется до 500 тыс. соединений. Из них около 40
тыс. обладают вредными для человека свойствами, а 12 тыс. являются
токсичными. Причем любой химический загрязнитель атмосферы имеет порог
действия.
К естественным источникам загрязнений относятся пыльные бури, вулканические извержения, газовые выделения из гейзеров и геотермальных
источников, прижизненные выделения в атмосферу растений, животных,
микроорганизмов и т.д.
Источники искусственного загрязнения - различные промышленные
предприятия, коммунальное хозяйство, утечки из газохранилищ и трубопроводов и
т.д. Атмосферные загрязнители подразделяются на п е р в и ч н ы е ,
поступающие непосредственно в атмосферу, и в т о р и ч н ы е , являющиеся
результатом их превращений. Например, поступающий в атмосферу диоксид серы
окисляется кислородом воздуха до триоксида серы, который затем,
взаимодействуя с водяными парами образует капельки серной кислоты. При
оценке загрязнения атмосферы учитывается период пребывания загрязняющих
веществ в ней. В атмосферу одновременно могут поступать вещества,
оказывающие на живые организмы сходное воздействие, то есть обладающие
эффектом суммации вредного действия.
Все вредные вещества (ВВ) в соответствии с ГОСТ 12.1.0.07-76 по степени
воздействия на организм человека подразделяют на четыре класса опасности: 1-й вещества чрезвычайно опасные, ПДК менее 0,1 мг/м3; 2-й - вещества
высокоопасные, ПДК 0,1-1 мг/м3; 3-й - вещества умеренно опасные, ПДК 1,1-10
мг/м3; 4-й - вещества мало опасные, ПДК более 10 мг/м3 [3].
Основным элементом загрязнения атмосферы являются аэрозольные
образования. Аэрозоли - это дисперсные системы, в которых дисперсионной
средой служит газ, а дисперсионными фазами являются твердые или жидкие
частицы. Обычно размеры частиц аэрозолей ограничивают интервалом 10~7-10"3
см. Аэрозоли делятся на три группы. К п е р в о й относятся пыли - коллективы,
состоящие из твердых частиц, диспергированных в газообразной среде. Ко
в т о р о й группе относятся дымы - все аэрозоли, которые получаются при
конденсации газа. К т р е т ь е й группе относятся туманы - коллективы жидких
частиц в газообразной среде.
17
Сейчас в земной атмосфере взвешено около 20 млн т частиц, из которых
примерно три четверти приходится на долю выбросов промышленных
предприятий.
Из многочисленных контаминантов атмосферы (по определению комитета
экспертов ВОЗ) основными являются взвешенные частицы - аэрозоли различного
состава, затем следуют сернистые соединения и оксиданты, то есть вещества,
образующиеся в атмосферном воздухе в результате фотохимических
превращений. Например, уже в 1975 г. в атмосферу во всем мире выбрасывалось
около 100 млн т твердых веществ.
Особое значение пыли и других взвешенных частиц объясняется тем, что они
загрязняют атмосферу не только в результате прямых выбросов, но в большей
мере в результате различных превращений газообразных веществ,
выбрасываемых в атмосферу (сернистых соединений, оксидов азота,
углеводородов) с образованием мелкодисперсных аэрозолей.
Источники загрязнения атмосферы выбросами м о г у т б ы т ь к л а с сифицированы:
1. По назначению: а) технологические, содержащие хвостовые газы после
установок улавливания (рекуперации, абсорбции и т.д.); б) вентиляционные
выбросы - местные отсосы, вытяжки.
2. По месту расположения: а) незатененные или высокие (высокие трубы,
точечные источники, удаляющие загрязнения на высоту, превышающую высоту
здания в 2,5 и более раз); б) затененные или низкие, то есть расположенные на
высоте, в 2,5 раза меньшей высоты здания; в) наземные - находящиеся у земной
поверхности (открытое технологическое оборудование, проливы, колодцы
производственной канализации и т.д.).
3. По геометрической форме: а) точечные (трубы, шахты, вентиляторы); б)
линейные (аэрационные фонари, открытые окна, факелы).
4. По режиму работы: непрерывного и периодического действия, залповые и
мгновенные.
Залповые выбросы возможны при авариях, сжигании быстрогорящих отходов
производства. При мгновенных выбросах загрязнения выбрасываются в доли
секунды и часто на значительную высоту. Это возможно при взрывных работах и
авариях.
5. По дальности распространения: внутриплощадочные, то есть создающие
высокие концентрации только на территории промышленной площадки, а в жилых
районах не дающие ощутимых загрязнений (для таких выбросов
предусматривается
санитарно-защитная
зона
достаточных
размеров);
внеплощадные, когда выбрасываемые загрязнения способны создать высокие
концентрации (порядка ПДК для воздуха населенных пунктов) на территории жилой
застройки.
Газовые промышленные выбросы могут быть организованными и неорганизованными.
Организованный промышленный выброс - выброс, поступающий в атмосферу через специальные сооружения - газоходы, воздуховоды, трубы, а
неорганизованный выброс - выброс, поступающий в "атмосферу в результате
18
нарушения герметичности оборудования, неудовлетворительной работы
вентиляционной системы, местных отсосов.
Сточные воды, содержащие растворенные и взвешенные вещества,
отводящиеся (отходящие) в гидросферу или литосферу, рассматриваются как
сбросы. Сбросы разделяются на неорганизованные, если они стекают в водный
объект непосредственно с территории промышленного предприятия, не
оборудованного специальной, например, ливневой канализацией или иными
устройствами для сбора, а также на организованные, если они отводятся через
специально сооруженные источники - водовыпуски. Выпуски классифицируются по
следующим признакам: по типу водоема или водотока; по месту расположения
выпуска; по конструкции распределительной части; по конструкции оголовка или
сбросного устройства [4].
Большую опасность представляет биологическое накопление и аккумуляция
загрязняющих жидких веществ, выбрасываемых предприятиями. В городских
сточных водах (смеси бытовых и производственных) содержатся минеральные
(глина, песок, окалина, сажа, сульфаты, хлориды, соли тяжелых металлов и т.д.) и
органические (белковые вещества, углеводы, жиры, масла, нефтепродукты,
синтетические ПАВ и т.д.) загрязнения. Биогенные элементы - соединения азота и
фосфора находятся в сточных водах в органической и неорганической форме.
Все перечисленные загрязнения могут находиться в грубодисперсном
(оседающем под действием силы тяжести), коллоидном и растворенном
состояниях. Большая часть органических загрязнений городских сточных вод
находится в грубодисперсном (15-20%) и коллоидном (50-60%) состоянии.
По степени загрязнения и происхождению сточные воды можно разделить на
с л е д у ю щ и е группы [4]:
1) загрязненные; представляющие собой смесь отработанных жидкостей после
технологических процессов, а также после мытья оборудования и полов (75-80%);
2) условно-чистые воды от охлаждения оборудования, компрессорных и
холодильных установок, вентиляционных устройств и т.д. (6-18%);
3) хозяйственно-фекальные (5-6%);
4) ливневые воды от мытья территории, автотранспорта и т.д. (2-3%).
Твердые отходы представляют собой гетерогенную смесь сложного
морфологического состава: черные и цветные металлы, макулатуросодер- жащие
и текстильные компоненты, отходы стекла, пластмассы, кожи, резины, дерева,
камней, а также остатки непрореагировавшего твердого сырья, смолы, кубовые
остатки от перегонки, различные осадки и шламы, отработанные катализаторы,
фильтровальные материалы, адсорбенты, не подлежащие регенерации,
общезаводской мусор и др. На удаление таких отходов производства
затрачивается в среднем 8-10% стоимости производимой продукции. Для
складирования твердых отходов московских предприятий ежегодно в Московской
области выделяется 20 га земли. Транспортирование и складирование отходов
ежегодно поглощает миллиарды рублей.
Условно предприятия можно разделить на три группы, учитывая их потенциальные возможности загрязнения биосферы. К п е р в о й группе относятся
предприятия с преобладанием химических технологических процессов. Ко
второй
группе
предприятия
с
преобладанием
механических
19
(машиностроительных) технологических процессов. К т р е т ь е й группе предприятия, на которых осуществляется как добыча, так и химическая
переработка сырья.
Например, предприятия химической промышленности (I г р у п п а) отличаются разнообразием токсичных газовых выбросов и жидких стоков. Главные из
них - органические растворители, амины, альдегиды, хлор и его производные,
оксиды азота, циановодород, фториды, сернистые соединения (диоксид серы,
сероводород, сероуглерод), металлоорганиче- ские соединения, соединения
фосфора, мышьяка, ртуть. Перечень некоторых опасных для окружающей среды
отходов предприятий I группы представлен в т а б л . 2.2 [2, 5].
Таблица 2.2
Характерные выбросы в атмосферу основных производств химической
промышленности
Производство
Вредные выбросы в атмосферу
Кислот:
- азотной
- серной
- соляной
- щавелевой
- сульфаминовой
- фосфорной (фосфора)
- уксусной
NO, N02, NH3
NO, N02, S02i SO3 H2S04> Fe203 (пыль)
HCl, Cl2
NO, N02, C2H204 (пыль)
NH3, NH(S03NH4)2, H2SO4
P205, H3PO4, HF, фосфогипс (пыль)
СНЗСНО, СНЗСООН
Продолжение таблицы 2.2
20
К числу отходов химической промышленности и производства минеральных
удобрений относятся гипсосодержащие отходы (фосфогипс и др.), фосфорные
шлаки, пиритные огарки, галитовые отходы и глинистые шла- мы, содовые
плавы, отходы нефтехимии и др. Отвалы и шламохранилища, занятые
отходами химических производств, занимают тысячи гектаров земли.
Крупнотоннажными гипсосодержащими отходами являются в первую
очередь фосфо-, боро- и фторогипс, титаногипс, а также сульфогипс. В т а б л.
2.3 представлен химический состав фосфогипса [6].
Таблица 2.3
Фосфогипс (основной компонент CaS04x2H20) - побочный продукт, получаемый при
производстве ортофосфорной кислоты и минеральных удобрений - двойного
суперфосфата, аммофоса и нитроаммофоски. Фосфогипс получают в виде шлама
с влажностью до 55%, твердая фаза шлама содержит более 90% частиц размером
менее 80 мкм.
При производстве капролактама образуется побочный продукт и «щелочные
стоки» - растворы натриевых солей моно- и дикарбоновых кислот. При их
разложении получают плав соды, содержащий обычно более 85% Na2C03. Так,
отход Щекинского ПО «Азот» имеет следующий состав, % масс.: Na2C03 - 95,43;
Na2S04 - 2,51; NaOH - 0,57; NaCI - 1,69; Fe203 - 0,017; A!203 - 0,03.
К отходам резинотехнических изделий относятся остатки резиновых смесей,
резиновые и резинотканевые, невулканизированные и вулканизированные,
текстильные
и
резинометаллические
отходы.
Например,
резиновые
невулканизированные отходы содержат до 50% каучука.
Отходы производства асбестотехнических изделий образуются при изготовлении тормозных колодок, прокладок, кровельного материала и др.
Основными ингредиентами отходов являются асбест, каучук, смолы, латек- сы, а
также бракованные готовые изделия, например, паронит.
Ежегодно в стране накапливается около 500 млн м3 отходов растительного
происхождения (лесосырьевые ресурсы, опилки, стружка, костра льна и др.), всех
ресурсов, из них 160 млн м3 остаются невывезенными на лесопилках, 120 млн м3
теряется при последующей обработке. Лишь шестая часть всех отходов
перерабатывается в товарную продукцию [6].
В промышленных процессах переработки различного сырья и полуфабрикатов
путем механического, термического и химического воздействия образуются
отходящие (отбросные) газы, в которых содержатся взвешенные частицы. Они
обладают всем комплексом свойств твердых отходов, а газы (в том числе и воздух),
содержащие взвешенные частицы, относятся к аэродисперсным системам (Г-Т, т а
21
б л . 2.4). Промышленные газы обычно представляют собой сложные
аэродисперсные системы, в которых дисперсная среда является смесью разных
газов, а взвешенные частицы полидисперсны и имеют различное агрегатное
состояние.
Таблица 2.4
Пыль в газах, отходящих от сырьевых и цементных сушилок, мельниц,
грануляторов, смесителей, печей обжига колчедана, в аспирационном воздухе
транспортных устройств и тому подобное является следствием несовершенства
оборудования и технологических процессов. В дымовых, генераторных, доменных,
коксовых и других подобных газах содержится пыль, образующаяся в процессе
горения топлива. Как продукт неполного сгорания органических веществ (топлива)
при недостатке воздуха образуется и уносится сажа. Если в газах содержатся
какие-либо вещества в парообразном состоянии, то при охлаждении до
определенной температуры пары конденсируются и переходят в жидкое или
твердое состояние (Ж или Т). Примерами взвесей, образовавшихся путем
конденсации, могут служить: туман серной кислоты в отходящих газах выпарных
аппаратов, туман смол в генераторных и коксовых газах, пыль цветных металлов
(цинка, олова, свинца, сурьмы и др.) с низкой температурой испарения в газах.
Пыли, образующиеся в результате конденсации паров, называются возгонами.
Некоторые характеристики наиболее распространенных промышленных пылей
приведены в т а б л . 2.5. Несмотря на внешнее разнообразие исходного сырья,
используемого в порошковых технологиях, ингредиенты пыли не только
подчиняются одним и тем же теоретическим законам инженерной реологии, но и на
практике обладают сходными технологическими свойствами, условиями их
предварительной подготовки и последующей вторичной переработки.
При выборе метода переработки твердых отходов существенную роль играют
их состав и количество. Количество промышленных твердых отходов составляет
огромную величину (без учета 130 млн м3 бытовых твердых отходов).
Предприятия механического профиля (II г р у п п а ) , включающие заготовительные и кузнечно-прессовые цехи, цехи термической и механической
22
обработки металлов, цехи покрытий, литейное производство, выделяют
значительное количество газов, жидких стоков и твердых отходов. Например, в
закрытых чугунолитейных вагранках производительностью 5- 10 т/ч на 1 т
выплавленного чугуна выделяется 11-13 кг пыли (масс. %): Si02 (20-50), СаО (2-12),
Ala03 (0,5-6), МдО (0,5-4), Fe0+Fe203 (10-36), МпО (0,5-2,5), С (30-45); 190-200 кг
оксида углерода; 0,4 кг диоксида серы; 0,7 кг углеводородов и др. Концентрация
пыли в отходящих газах составляет 5-20 г/м3 при эквивалентном размере 35 мкм
[7J.
При литье под действием теплоты расплавленного (жидкого) металла и при
охлаждении форм из формовочных смесей выделяются ингредиенты,
представленные в т а б л . 2.6 [7].
Токсичные вещества в окрасочных цехах выделяются в процессе обезжиривания поверхностей органическими растворителями перед окраской, при
подготовке лакокрасочных материалов, при их нанесении на поверхность изделий
и сушке покрытия. Характеристики вентиляционных выбросов из окрасочных цехов
приведена в т а б л . 2.7.
23
Таблица 2.5
Характеристики наиболее распространенных промышленных пылей
Характеристики
Размер d, мкм
Плотность
материала
ум,
кг/м3
Наименование
пыли*"*-^*^^
Пыль печи спекания бокситной шихты*
Пыль печи кальцинации
алюминиевого завода*
Пыль при помоле из
вестняка в шахтной мель
нице на аглофабрике
Пыль при сушке извест
няка в сушильном бара
бане***
Летучая зола от сжига
ния эстонских сланцев***
Зола от сжигания угля
Подмосковного бассейна*
Пыль при рассеве и
транспортировке формо
вочных песков в литейном
цехе**
Пыль вращающейся пе
чи обжига клинкера*:
а) при мокром способе
производства цемента
б) при сухом способе
производства цемента
Насыпная
плотность
у„,
кг/м3
Угол естествен
Разрывная
Удельное
ного откоса
прочность
сопротивление
пыли,
Омхм
(угол обруше
ния) Ост, 0
1-40
(dsor—8)
2,5-25
(dar-9,6)
2,5-40
(dso-25)
2400
800
63
пылевого
слоя
Р, Па
151
6х105 (Т-20 °С)
1,2х106 (Т-250 °С)
3220
889
66
403
—
6,4x10е (Т-20 °С)
2706
924
67
178
1,2x109 (Т-250 °С)
1,0-10
(dw-2.9)
2900
550
62
880
2,5-40
(dso-13)
2,5-40
(dso-15)
1,6-25
(deo-9)
2560
880
50
34
2240
780
58
134
2400
590
59
63
—
1,8x1010 (Т-20 °С)
6,5x1010 (Т-110 °С)
1,5x107 (Т-20 °С)
2,7x10е (Т-250 °С)
—
1x108 (Т-20 °С)
1,0-10
(dar-2,8)
1,0-16
(dso-4,9)
2750
2890
561
735
78
57,5
320
635
4x108 (Т-250 °С)
2,6x107 (Т-20 °С)
9x107 (Т-250 °С)
Продолжение таблицы 2.5
Удельные газовыделения в зависимости от марки связующего
Таблица 3.2 вещества
формы, мг/кг смеси
Наименование
выделений
Формовочная смесь
ОФ-1
Бензол
БС-40
390
Фенол
фурфурол
Метанол
Аммиак
Цианистый водород
Формальдегид
Оксид углерода
Диоксид углерода
Метан
—
5,5
—
—
8,7
920,0
688,0
204,0
УКС
—
—
—
—
—
2
11
702
1,2
34,0
496,0
3260,0
111,0
207
823
—
34,2
1921,0
8563,0
82,0
Таблица 2.7
Концентрации выбросов вредных веществ
Лакокрасочный
материал
Объем
отсасываемого
воздуха, м3/ч
Концентрация, мг/м3
ксилол
Эмаль МЛ-1-03
5000
400
Эмаль МЛ-25
Грунт ФЛ-ОЗк
Нитроэмаль №924 33000
1700
27000
170
—
—
толуол
—
—
390
70
Нефтегазовые и горнодобывающие объекты, металлургическое производство и теплоэнергетику условно относят к предприятиям III г р у п - п ы.
При нефтегазовом строительстве основным источником техногенных
воздействий является опорно-двигательная часть машин, механизмов и
транспорта. Они разрушают почворастительный покров любого типа за 1-2
прохода или проезда. На этих же этапах происходит максимальное физико-химическое загрязнение почв, грунтов, поверхностных вод горюче-смазочными
материалами, твердыми отходами, бытовыми стоками и др. Плановые потери
добытой нефти составляют в среднем 50%. Ниже приведен перечень веществ (в
скобках дан класс их опасности), выбрасываемых: а) в атмосферный воздух:
двуокись азота (2), бенз(а)пирен (1), сернистый ангидрит (3), оксид углерода (4),
сажа (3), ртуть металлическая (1), свинец (1), озон (1), аммиак (4), хлористый
водород (2), серная кислота (2), сероводород (2), ацетон (4), окись мышьяка (2),
формальдегид (2), фенол (1) и др.;
б) в сточные воды: азот аммиачный (аммония сульфат по азоту) - 3, азот общий
(аммиак по азоту) - 3, бензин (3), бенз(а)пирен (1), керосин (4), ацетон (3),
уайт-спирит (3), сульфат (4), фосфор элементарный (1), хлориды (4), хлор
активный (3), этилен (3), нитраты (3), фосфаты (2), масла и др. [8].
27
Горная промышленность использует практически невозобновимые минеральные ресурсы далеко не полностью: 12-15% руд черных и цветных металлов
остается в недрах или складируется в отвалы.
Так называемые плановые потери каменного угля составляют 40%. При
разработке полиметаллических руд из них извлекают лишь 1-2 металла, а
остальные выбрасываются с вмещающей породой.
При добыче каменных солей и слюды в отвалах остается до 80% сырья.
Массовые взрывы на карьерах являются крупными источниками пыли и ядовитых
газов. Например, пылегазовое облако рассеивает 200-250 т пыли в радиусе 2-4 км
от эпицентра взрыва.
Выветривание горных пород, складированных в отвалы, приводит к
значительному повышению концентраций - S02, СО и С02 в радиусе нескольких
километров.
В теплоэнергетике мощным источником твердых отходов и газообразных
выбросов являются теплоэлектростанции, паросиловые установки, то есть любые
промышленные и коммунально-бытовые предприятия, связанные с процессом
сжигания топлива.
В состав отходящих дымовых газов входят диоксид углерода, диоксид и
триоксид серы и др. Хвосты углеобогощения, золы и шлаки формируют состав
твердых отходов. Отходы углеобогатительных фабрик содержат 55- 60% Si02,
22-26% А120З, 5-12% Fe203, 0,5-1,0 САО, 4-4,5% К20 и NaZO и до 5% С. Они
поступают в отвалы и степень их использования не превышает 1-2% [2].
Опасно использование бурых и других углей, содержащих радиоактивные
элементы (уран, торий и др.), в качестве топлива, так как часть их уносится с
отходящими газами в атмосферу, часть - через золоотвалы поступают в
литосферу.
К промежуточной комбинированной группе предприятий (f +11 + III гр.)
относится муниципальное производство и объекты коммунально-городского
хозяйства. Современные города выбрасывают в атмосферу и гидросферу около
1000 химических соединений.
Атмосферные выбросы текстильной промышленности содержат оксид
углерода, сульфиды, нитрозамины, сажу, серную и борную кислоты, смолы, а
обувные фабрики выделяют аммиак, этилацетат, сероводород и кожевенную
пыль. При производстве строительных материалов и конструкций, например,
выделяется от 140 до 200 кг пыли на 1 т произведенных строительного гипса и
извести соответственно, а отходящие газы содержат оксиды углерода, серы,
азота, углеводороды. Всего предприятия по производству стройматериалов в
нашей стране выбрасывают ежегодно 38 млн т пыли, 60 % которых составляет
цементная пыль [2].
Загрязнения в сточных водах находятся в виде взвесей, коллоидов и
растворов. До 40% загрязнений составляют минеральные вещества: частицы
грунта, пыли, минеральные соли (фосфаты, азот аммонийный, хлориды,
сульфаты и др.). В состав органических загрязнений входят жиры, белки,
28
углеводы, клетчатка, спирты, органические кислоты и т.д. Особый вид
загрязнения сточных вод - бактериальный.
Количество загрязнений (г/чел. сут.) в бытовых сточных водах определяется
в основном физиологическими показателями и составляет примерно [9]:
Биологическая потребность в кислороде (ВПК полн.) - 75
Взвешенные вещества - 65 Азот аммонийный - 8
Фосфаты - 3,3 (из них 1,6 г - за счет моющих средств)
Синтетические поверхностно-активные вещества (СПАВ) - 2,5
Хлориды - 9.
Наиболее опасными и трудноудаляемыми из стоков являются СПАВ (иначе детергенты) - сильные токсиканты, устойчивые к процессам биологического
разложения. Поэтому в водоемы сбрасывается до 50-60% их первоначального
количества [2].
К опасным загрязнениям антропогенного характера, способствующим
серьезному ухудшению качества окружающей среды и жизни человека, следует
отнести радиоактивность. Естественная радиоактивность - это закономерное
явление, обусловленное двумя причинами: наличием в атмосфере радона 222Rn
и продуктов его распада, а также воздействием космических лучей. К продуктам
распада ^Rn относятся 220Rn (торон Тп, т1/2 = 54 с) и 219Rn (актинон An, ху2 = 3,9
с). Образуясь в группы, они затем через поры почвы проникают в приземный
слой атмосферы, создавая так называемую естественную (природную)
радиоактивность. Что касается антропогенных факторов, то они связаны
главным образом с искусственной (техногенной) радиоактивностью (ядерные
взрывы, производство ядерного топлива, аварии на атомных электростанциях).
Представляет практический интерес уровни радиоактивного риска, обусловленного естественным сроком и некоторыми искусственными источниками
облучения (табл. 2.8).
Таблица 2.8
Средний индивидуальный риск облучения населения Земли и бывшего СССР
[10]
Источник облучения
Естественный фон
Технологический естественный фон,
в том числе:
- радон и торон в помещениях
- удобрения в с/х
Население Земли Население бывшего
СССР
1,8x10'5
1,6x10"5
2,1 хЮ'5
1,7x10"5
2,1x10"5
1,7x1 О*5
1,2x10"7
—
29
Продолжение таблицы 2.8
Источник облучения
Население Земли Население бывшего
СССР
- выбросы угольных электростанций
3,3x10 е
—
- пользование автотранспортом
1,6x10'8
1,6x10"*
- употребление радиолюминесцентных товаров
Искусственные источники облучения, б.бхЮ45 -1,6х10"7
в том числе:
- медицинское облучение
6,6x10"® - 1,6x1 о 7
1,6x10'7
- радиоактивные выпадения от испытаний ядерного оружия
- ядерная энергетика
1,0x10"8
Всего
4,6х10"5 - 5,6х10"5
—
—
2,5x10'5
2,3x10"5
1,6х10'7
2,3x10"8
5,8х10'5
Таким образом, радиоизотопы так или иначе попадают в атмосферу, многие
из которых по существу вечны. В связи с этим важной является проблема
обезвреживания отходов ядерной энергетики. При этом необходимо знать,
насколько уменьшится ущерб, наносимый экономической деятельностью
здоровью человека.
К числу техногенных загрязнений, представляющих опасность для биосферы и человека, относятся и электромагнитные излучения (ЭМИ) и поля
(ЭМП). Они являются весьма сложным загрязнением как с точки зрения
анализа, так и с позиций ограничения интенсивности облучения. Кроме того,
органы чувств человека не воспринимают ЭМП до частот видимого диапазона, в
связи с чем оценить степень опасности облучения практически невозможно [11].
Бурное развитие научно-технического прогресса привело к тому, что созданные
человеком ЭМП в сотни раз выше среднего естественного поля. В условиях
современных производств и городских условий на организм человека
оказывают влияние ЭМП, источниками которых являются различные
радиопередающие устройства, производственная электроэнергетика, линии
электропередач, электрофицированный транспорт, офисная и бытовая техника.
Интенсивность фона зависит от следующих причин: близости к
электроэнергетическим источникам, расписания работы радиостанций,
состояния ионосферы и др. В и д ы в о з д е й с т в и я ЭМП:
- изолированное (от одного источника);
- сочетанное (от двух и более источников одного частотного диапазона);
- смешанное (от двух и более источников различных частотных диапазонов);
- комбинированное (в случае дополнительного воздействия какого-либо
другого неблагоприятного фактора).
Шум, инфразвук, ультразвук и вибрация оказывают самые различные
воздействия на живой организм; в подавляющем большинстве они являются
нежелательными. С точки зрения классических методов оценки звука
30
интенсивность или пережитая воспринятая громкость, является не только
наиболее важной характеристикой любого вида шума, но и в значительной мере
определяет степень его вредного воздействия (Schick А., 1998 г.).
На предприятиях источниками шума являются вентиляторные установки,
компрессорные станции, газотурбинные установки и др. устройства. Наиболее
значительные уровни шума наблюдаются на частотах 500-1000 Гц, то есть в зоне
наибольшей чувствительности органа слуха. В возрасте до 27 лет на шум
неадекватно реагируют 46,3% людей, в возрасте 28-37 лет - 57%, в возрасте 38-57
лет - 62,4%, а в возрасте 58 лет и старше 72%. Ниже приведены р а с ч е т н ы е
у р о в н и з в у к а некоторых промышленных предприятий, дБА (по И.Л.
Карагодиной):
- мотороиспытательные станции
и клепально-штамповочные цехи 110
- металлургия, машиностроение
100
- деревообработка
90
- пищевая и химическая
85
- швейная и ткацкая
80
Установлено, что потеря слуха обычно наступает при воздействии шума в
диапазоне частот 3000-6000 Гц, а нарушение разборчивости речи - при частоте
1000-2000 Гц [12]. За счет негативных акустических воздействий общая
заболеваемость населения, например, в городах возрастает на 30%.
Источниками вибрации я в л я ю т с я : промышленные установки, технологические трубопроводы, строительные и др. объекты, в которых доминируют
динамические процессы, вызванные ударами, резкими ускорениями и т.п.
Разрушительное влияние вибрации с сопутствующим ей фактором - шумом - одна
из самых трудноразрушимых проблем промышленной экологии.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Конаков СЛ. Экология промышленности будущего. М.: РЭФИА, 1998. 158 с.
2. Лозановская И.И., Орлов Д. С., Садовникова Л.К. Экология и охрана биосферы
при химическом загрязнении. М.: Высшая школа, 1998. 287 с.
3. Зюзин А.В., Семенов В.И. Защита производственного персонала и населения от
сильнодействующих ядовитых веществ на химически опасных объектах. М.: Меди- нор,
1994. 240 с.
4. Стадницкий Г.В., Родионов AM Экология. СПб: Химия, 1996. 240 с.
5. Назаров ВМ., Мелконян Р.Г., Калыгин В.Г Техника уплотнения стекольных шихт.
М.: Легпромбытиздат, 1985. 128 с.
6. Кикава О.Ш., Щекина Н.С. Методические рекомендации по изготовлению строительных материалов из промотходов. М.: ГП «Промотходы», 1994.156 с.
7. Охрана окружающей среды/Под ред. С.В. Белова. М.: Высшая школа, 1991. 319 с.
8. Мазур И.И.. Шишое В.М. Основы охраны окружающей среды при строительстве
нефтегазовых объектов. М.: Недра, 1992.150 с.
31
9. Очистка хозяйственно-бытовых сточных вод и обработка осадков(А.Ф. Афанасьева и др. М.: Изограф, 1997. 96 с.
10. Чухин С.Г. Социально-экономические критерии приемлемости радиационного
риска новых радиационных технологий. М.: Энергоатомиздат, 1991.
11. Рудаков М.Л. Электромагнитные поля и безопасность населения. СПб.: Русское
географическое общество, 1998. 32 с.
12. Охрана труда и экологическая безопасность в химической промышленности/А С.
Бобков и др. М.: Химия, 1997. 400 с.
Лекция 3. ПРИРОДООХРАННАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ НА ПРОМЫШЛЕННЫХ
ПРЕДПРИЯТИЯХ
3.1. Система государственных стандартов в области охраны биосферы и
рационального использования природных ресурсов
Стандартизация занимает особое место в комплексе мер по обеспечению
экологической безопасности биосферы. Применительно к этой системе
стандартизация - это разработка и внедрение в практику научно обоснованных,
обязательных для выполнения технических требований и норм (стандартов),
регламентирующих человеческую деятельность по отношению к окружающей
среде. Стандарты качества окружающей среды устанавливают государственные
органы (Госстандарт России, Министерство здравоохранения и другие
министерства, комитеты, ведомства).
Требования по охране окружающей среды регламентируются в трех видах
стандартов: общетехнических, стандартах на группу однородной продукции и в
стандартах на конкретные виды продукции [1].
Стандарты подразделяются на: государственные стандарты (ГОСТ и
ГОСТ Р), отраслевые стандарты (ОСТ) и стандарты предприятий (СТП)1.
Обозначения государственных стандартов состоят из номера системы
(индекса) по классификатору (17 - индекс охраны природы), шифра комплекса
(классификационной группировки), шифра группы, порядкового номера стандарта
и года его регистрации (рис. 3.1). Первый разработанный стандарт ГОСТ
17.0.0.01-76 «Система стандартов в области охраны природы и улучшения
использования природных ресурсов. Основные положения» был введен
01.01.1977 г. и установил систему стандартов, направленных на охрану природы
(табл. 3.1 и т а б л . 3.2).
Существуют также санитарные нормы (СН), строительные нормы и правила
(СНиП), санитарные правила и нормы (СанПиН), гигиенические нормативы, правила
устройства и безопасной эксплуатации (ПУЭ), правила и инструкции.
1
32
Таблица 3.1
Комплексы природоохранных стандартов
Номер
комплекса
0
1
2
3
4
5
6
7
8
Наименование комплекса
Комплекс организационнометодических стандартов в
области охраны природы
Комплекс стандартов в области
- охраны и рационального
использования вод
- защиты атмосферы
- охраны и рационального
использования почв
- улучшения использования земель
- охраны флоры
- фауны
- охраны и преобразование ландшафтов
- охраны и рационального
использования недр
Кодовое
наименование
—
Гидросфера
Атмосфера
Почвы
Земли
Флора
Фауна
Ландшафты
Недра
33
Классификация системы стандартов в области охраны
Таблицаприроды
3.2
Шифр
группы
0
1
2
3
4
5
6
7
Наименование группы стандартов
Основные положения
Термины, определения, классификация
Показатели качества природных сред, параметры загрязняющих выбросов (сбросов) и
показатели интенсивности использования
природных ресурсов
Правила охраны природы и рационального
использования природных ресурсов
Методы определения параметров состояния
природных
объектов
и
интенсивности
хозяйственного воздействия
Требования к средствам контроля и измерений состояния окружающей природной
среды
Требования к устройствам, аппаратам и
сооружениям по защите окружающей среды от
загрязнений
Прочие стандарты
Отраслевые стандарты (нормы), например, в строительстве нефтегазовых объектов распространяются на инженерные изыскания, проектирование и
строительство наземных и подземных магистральных и промысловых
трубопроводов, дорог и других объектов обустройства газовых и нефтяных
месторождений. Основным документом являются Ведомственные строительные
нормы (ВСН-89) «Строительство магистральных и промысловых трубопроводов.
Охрана окружающей среды». В отрасли разработаны также методические
рекомендации по экологической паспортизации объектов, строительных
организаций и предприятий; типовые природоохранные разделы (эталоны
природоохранных разделов) проектов организации строительства (ПОС) и
проектов производства работ (ППР) - аналогов стандартов предприятий.
Преемственность в работе по стандартизации охраны окружающей среды
сохранена в РФ после ликвидации СССР. Работы по стандартизации
продолжаются, растет число межгосударственных стандартов СНГ. В настоящее
время действуют более 110 государственных стандартов в этой области [2]. В
соответствии с Законом РФ «О стандартизации» ежегодно составляется
программа по разработке новых и пересмотру действующих стандартов. Поэтому
число федеральных стандартов, соответствующих стандартам международных
организаций ИСО (ISO) и МЭК (IEC), планомерно увеличивается и сегодня
составляет около 80%. В приложении 3.1 приведены избранные государственные
и отраслевые стандарты, связанные с природоохранной деятельностью в
промышленной сфере.
3.2. Экологический паспорт (ЭП) промышленного предприятия
ЭП предприятия (ГОСТ 17.0.0.04-90) является документом, в котором должны
быть отражены с л е д у ю щ и е с в е д е н и я :
34
- применяемые предприятием технологии;
- количественные и качественные характеристики используемых материальных и энергетических ресурсов (сырье, топливо и др.);
- показатели выпускаемой продукции;
- количественные и качественные характеристики газовых выбросов, жидких
сбросов (стоков) и твердых отходов;
- результаты сравнения технологий предприятия с лучшими отечественными
и зарубежными аналогами.
Информация, содержащаяся в ЭП, предназначена для решения с л е д у ю щ и х природоохранных з а д а ч :
- оценка влияния технологий и выпускаемой продукции на биосферу,
1доровье человека и определение размера платы за природопользование, ia
загрязнение среды;
- установление предприятию предельно допустимых норм выбросов
(сбросов) загрязняющих веществ в биосферу;
- планирование предприятием природоохранных мероприятий и оценка их
эффективности;
- экспертиза проектов реконструкции предприятия;
- контроль соблюдения предприятием законодательства в области охраны
природной среды;
- повышение эффективности использования сырьевых, материальных и
энергетических ресурсов и вторичная переработка отходов.
ЭП составляется службами предприятия (иногда с помощью отраслевых
институтов или других профильных организаций) и утверждается его
руководством. Паспорт для проектируемых, реконструируемых и расширяющихся
предприятий заполняется на стадии разработки соответствующего проекта.
ЭП составляется на основе согласованных и утвержденных основных
показателей производства, разрешения на природопользование, паспортов газои водоочистного оборудования, данных государственной статистической
отчетности, инвентаризации источников загрязнения, проектов и других
нормативно-технических документов.
При составлении ЭП необходимо придерживаться с л е д у ю щ е й его
структуры [3]:
1. Общие сведения о предприятии.
2. Краткая природно-климатическая характеристика района расположения
предприятия.
3. Цеха и производственные объекты.
4. Использование земельных ресурсов.
5. Расход сырья и вспомогательных материальных ресурсов по видам
продукции.
6. Расход энергоресурсов по видам продукции.
7. Характеристика выбросов в атмосферу.
8. Характеристика водопотребления, водоотведения и очистки сточных вод на
предприятии.
9. Характеристика отходов, образующихся на предприятии.
10. Характеристика полигонов и накопителей, предназначенных для захоронения (складирования) отходов.
35
11. Рекультивация нарушенных земель и снятие нарушенного слоя почв.
12. Транспорт предприятия.
13. Плата за выбросы, сбросы, размещение отходов загрязняющих веществ в
окружающую среду.
3.3. Нормирование загрязняющих веществ в биосфере
Для предотвращения (снижения) отрицательных последствий воздействия
загрязняющих веществ на атмосферу, литосферу и гидросферу необходимо знать
их предельные
уровни, при которых обеспечивается нормальная
жизнедеятельность. Информация, характеризующая состояние природной среды,
оценивается с помощью специально разработанных критериев или нормативов.
Основной величиной экологического нормирования качества природной среды
является предельно допустимая концентрация (ПДК) вредного вещества (ВВ)
или веществ в биосфере - воздухе, воде и почве. В общем случае ПДК - это такое
содержание ВВ в окружающей среде, которое при постоянном контакте или
воздействии за определенный промежуток времени практически не влияет на
здоровье человека и не вызывает неблагоприятных последствий у его потомства.
ПДК должны устанавливаться на основе различных токсикометрических оценок, с
раздельным нормированием уровней загрязнения, например, воздуха, в рабочих
зонах и в населенных пунктах. На р и с. 3.2. приведена классификация ПДК [4].
Р и с . 3.2. Классификация предельно допустимых концентраций
Фактическое загрязнение атмосферы воздуха городов и населенных пунктов
оценивается по 5 - б а л л ь н о й ш к о л е :
I - допустимое загрязнение', II - умеренное; 111 - слабое; IV - сильное; V очень сильное.
Загрязнение I степени является безопасным для здоровья населения. При
загрязнении II—V степеней вероятность возникновения неблагоприятных
эффектов возрастает с увеличением степени загрязнения. В нормативах
Минздрава России приводятся сведения о классе опасностей вещества совместно
36
с ПДК. В п р и л о ж е н и и 3.2. и 3.3. приведены значения ПДКс.с и ПДКрз
наиболее часто встречающихся в промышленности вредных веществ (по С.П.
Конакову).
При погрузочно-разгрузочных работах наиболее опасны кремнесодер- жащие
пыли. ПДК таких пылей устанавливается в зависимости от процентного
содержания в них кремнезема. Требования к методикам измерения концентраций
вредных веществ в воздухе рабочей зоны приведены в ГОСТ 17.2.4.02-84.
Содержание ВВ в воздухе рабочей зоны не должно превышать установленных
ПДК (СН 245-71 и СН 3086-84). ПДК ВВ в воздухе рабочей зоны - это
концентрации, которые при ежедневной (кроме выходных дней) работе в течение
8 часов или другой продолжительности, но не более 41 часа в неделю, в течение
всего рабочего стажа не могут вызвать заболеваний или отклонений здоровья
человека, обнаруживаемых современными методами исследований, в процессе
работы или неблагоприятных последствий у его потомства.
При одновременном содержании в воздухе рабочей зоны нескольких ВВ с
концентрациями C1f С2, Сп, обладающих однонаправленным действием, должно
выполняться условие:
+++
ПДК1 ПДК2 ПДКП
(3.1)
Если в воздухе содержатся ВВ, не обладающие однонаправленным действием, концентрация каждого из них не должна превышать ПДК. К ВВ однонаправленного действия, как правило, следует относить вещества, близкие по
химическому строению и характеру биологического воздействия на организм
человека. ПДК ВВ устанавливают в зависимости от степени воздействия на
организм человека.
На р и с. 3.3. представлена схема нормирования примесей ВВ в воздухе с
учетом их переноса и рассеивания в атмосфере, а также токсилогиче- ских
принципов [4]. Учитывая, что экологическая ниша человека неизменна, где бы он
ни находился, условием экологической безопасности для него будет выполнение
условия СВв * ПДК, где СВв - концентрация вредного вещества мг/м3.
37
Р и с . 3.3. Схема нормирования примесей вредных веществ по зонам
жизнедеятельности человека
В приземном слое атмосферы населенных пунктов установлены ПДК ВВ,
значения которых приведены в «Санитарных нормах проектирования
промышленных предприятий СИ 3917-85».
Если в атмосферном воздухе одновременно содержится несколько вредных
веществ, обладающих однонаправленным действием, то должно выполняться
условие (3.1). Выбросы в атмосферу воздуха, содержащего вредные вещества,
предусматривают и обосновывают в расчетах так, чтобы концентрации их в
приземном слое не превышали предельно допустимых. Содержание пыли в
воздухе (мг/м3), выбрасываемом в атмосферу системами вентиляции, объем
которого более 15 тыс. м3/ч, не должно превышать С1 - 100К, при объеме L
выбрасываемого воздуха 15 тыс. м3/ч и менее С2- (160-4L)K.
Коэффициент К принимается в зависимости от ПДК пыли в воздухе:
ПДК, мг/м3... 2 и менее от 2 до 4 от 4 до 6 6 и более К... 0,3
0,6
0,8
1
Выбросы воздуха, удаляемого системами местных отсосов, с концентрациями
пыли, не превышающими Ci и С2, допускается (при обосновании) закладывать в
проект, не предусматривая средств для очистки. Правила установления
предельно допустимых выбросов (ПДВ) вредных веществ предприятиями
приведены в ГОСТ 17.2.3.02-78.
Предельно допустимый выброс пыли или других ВВ в атмосферу устанавливают для каждого источника. При этом должно быть соблюдено условие, что
38
выбросы ВВ от данного источника, а при наличии других источников - от их
совокупности - не создадут приземную концентрацию С, превышающую
предельно допустимую ПДК, то есть:
Л
ПДК
si,
(3.2)
Если это условие по объективным причинам в настоящее время не может быть
выполнено, вводят поэтапное снижение выбросов ВВ. На каждом этапе выброс
ВВ согласовывается с местным органом Государственной инспекции по контролю
за работой газоочистных и пылеулавливающих установок и другими
организациями (уполномоченными) учреждениями.
Поэтому наряду с ПДК существуют временно допустимые концентрации (ВДК),
иначе называемые ориентировочными безопасными уровнями воздействия
(ОБУВ).
ПДК в основном устанавливаются на основании экспериментов. Для ускоренного определения ПДК новых веществ используют расчетные методы. В
настоящее время принято, что установленные расчетным путем нормативы
должны рассматриваться в качестве ВДК (ОБУВ).
Для максимального снижения выбросов вредных веществ должны быть
использованы наиболее совершенная технология и методы очистки. Рассеивание вредных выбросов в атмосфере при увеличении высоты их выброса может быть применено только после реализации всех современных
технических средств, снижающих абсолютное количество выбросов и
сокращающих концентрацию вредных веществ, выбрасываемых в атмосферу. Для неорганизованных выбросов и групп мелких одиночных источников,
например, вентиляционных, устанавливают суммарный предельный выброс.
При установлении ПДВ для источника загрязнения атмосферы учитывают
фоновые концентрации ВВ в воздухе Сф, определяемые расчетом и
экспериментально. Под фоновой концентрацией для отдельного источника
загрязнения атмосферы понимают ее загрязнение, связанное с другими
источниками, исключая рассматриваемый. В этом случае в соотношении (3.2)
вместо С принимают С + Сф.
При неблагоприятных метеорологических условиях в кратковременные
периоды загрязнения атмосферы, опасного для здоровья населения, необходимо
снизить выбросы ВВ, вплоть до полного прекращения работ, вызывающих
загрязнение. Работу по установлению ПДВ проводит головная организация,
которая рассматривает планы мероприятий, направленных на снижение
загрязнения атмосферы, делает окончательные расчеты загрязнения атмосферы
от всех объектов, устанавливает предельные выбросы вредного вещества для
каждого предприятия и разрабатывает комплексный план мероприятий снижения
загрязнения атмосферы. Эффективность
39
поэтапного уменьшения выбросов ВВ оценивают по степени фактического
снижения загрязнения атмосферы, определяемого в соответствии с нормативными документами.
Кроме этого, для обеспечения экологической безопасности населения,
проживающего вблизи экологически опасных предприятий, создаются санитарно-защитные зоны (СЗЗ), отделяющие жилые кварталы от предприятий (см.
рис. 3.3).
Каждое предприятие, имеющее источники загрязнения среды, должно иметь
СЗЗ, размеры которой с 1996 г. регламентируются СанПиН 2,2.1/2.1.1.567-96. С
этой целью все предприятия сгруппированы по отраслям в зависимости от
выделяемых загрязнений. Имеется несколько таких групп, в каждой из которой
выделяется пять классов предприятий по степени их экологической опасности. В
зависимости от класса устанавливается нормативный размер СЗЗ, который
зависит от мощности, условий осуществления технологического процесса,
характера и количества выделяемых в окружающую среду ВВ и других факторов в
соответствии с санитарной классификацией предприятий. В зависимости от
класса предприятия размеры СЗЗ составляют: I класса - 2000 м; I! класса - 1000 м;
ill класса - 500 м; IV класса - 300 м; V класса - 100 м. Например, к I классу относятся
предприятия химического комплекса, имеющие аммиак (ж.), ангидрид сернистый
(ж.), двуокись азота, кислоту синильную, метилакрилат, нитрил акриловой
кислоты, сероуглерод, триметиламин, фосген, хлор (ж.), кислоту азотную,
удобрения азотные и др. В целлюлозно-бумажном комплексе цехи варки
целлюлозы также относятся к I классу, а производящие бумагу и картон из
привозных полуфабрикатов - к IV. К V классу относят производства
полиграфических красок, неорганических реактивов (при отсутствии хлорного
ингредиента), а также производства пластмасс и синтетических смол.
Расчетный размер СЗЗ, согласно приложению 2 СанПиН, может быть
определен (и соответственно изменен в сравнении с нормативным) по формуле:
+ —,
(3.3)
ПДК
ПДК! ПДК2 ПДКк
где C1f С2, Ск - расчетная приземная концентрация загрязняющих веществ
характеризуемого производства; ПДК^ ПДК2, ПДКк - ПДК данных веществ;
^-------- показатель фоновых концентраций; N1t N2, NH - переводные коэфПДК
фициенты, зависящие от класса опасности вещества; R - число румбов для
расчета показателя;}-номер румба; п- количество расчетных точек; - одно из
расчетных направлений от источника загрязнения (румб).
40
Таким образом, мероприятия по защите атмосферного воздуха должны
рассматриваться на предприятиях как составная часть общего плана по охране
окружающей среды и включать две стадии: определение необходимости
осуществления мероприятий по сокращению выбросов и снижению уровня
загрязнения воздуха, а затем определение конкретного содержания мероприятий,
обеспечивающих требования государственных стандартов.
Мероприятия, направленные на снижение уровня загрязнения воздуха, нужно
осуществлять, если в результате расчетов (для п источников) выполняются
условия:
для атмосферного воздуха населенных пунктов
ПДК <5 V Cj + Сф;
(3.4)
для воздуха промышленных площадок
0,ЗПДКр з s y C j + Сф.
(3.5)
После определения необходимости осуществления мероприятий по снижению
уровня загрязнения воздуха должно быть разработано их конкретное содержание.
Разработка мероприятий начинается с определения требуемой степени очистки
выбросов г\ по каждому источнику:
Л«~^-х100%,
ПДВ
(3.6)
где М - фактическое количество вредного вещества, выбрасываемого из
источника.
В нашей стране разработан нормативный документ, который устанавливает
методику расчета концентраций в атмосферном воздухе ВВ, содержащихся в
выбросах предприятий [5]. Нормы должны соблюдаться при проектировании
предприятий, а также при нормировании выбросов в атмосферу от
реконструируемых и действующих предприятий. Нормы предназначены для
расчета приземных концентраций в двухметровом слое над поверхностью земли,
а также вертикального распределения концентраций.
Максимальное значение приземной концентрации вредного вещества См
[мг/м3] при выбросе газовоздушной смеси из одиночного точечного источника с
круглым устьем достигается при неблагоприятных метеорологических условиях на
расстоянии хм [м] от источника и определяется по формуле:
^М
AMFmnr]
= —о
/
Н2^\Л|ЛТ
W-' )
41
где А - коэффициент, зависящий от температурной стратификации атмосферы;
М (г/с) - масса ВВ, выбрасываемого в атмосферу в единицу времени; F безразмерный коэффициент, учитывающий скорость оседания ВВ в
атмосферном воздухе; т и п - коэффициенты, учитывающие условия выхода
газовоздушной смеси из устья источника выброса; Н (м) - высота источника
выброса над уровнем земли (для наземных источников при расчетах
принимается Н = 2 м); rj - безразмерный коэффициент, учитывающий влияние
рельефа местности в случае ровной или слабопересеченной местности с
перепадом высот не превышающим 50 м на 1 км, г\ = 1; AT С) - разность между
температурой выбрасываемой газовоздушной смеси Тг и температурой
окружающего атмосферного воздуха Тг; (мг/м3) - расход газовоздушной смеси,
определяемый по формуле:
где D (м) - диаметр устья источника выброса; юо (м/с) - средняя скорость
выхода газовоздушной смеси из устья источника выброса.
Минимальная высота одиночного источника выброса (трубы) Н (м), определяется по формуле:
Значение ПДВ (г/с) для одиночного источника с круглым устьем в случаях
Сф < ПДК определяется по формуле:
(3.9)
Вышеизложенный норматив называется предельно допускаемым выбросом (в воздушную среду) - ПДВ, или предельно допускаемым сбросом (в
гидросферу) - ПДС. ПДВ (ПДС) рассчитывают по методам, разработанным
Госкомгидрометом и стандартизированным ГОСТ 17.2.3.02-78.
Рассмотрим кратко нормирование загрязняющих веществ в водных объектах (гидросфере). Степень предельно допустимого загрязнения воды в
водном объекте, зависящая от его физических особенностей и способности к
нейтрализации примесей, рассматривается как предельно допустимая
нагрузка ПДН [4]. В общем случае допустимая нагрузка на водоем при его
загрязнении определяется в соответствии с «Правилами охраны поверхностных вод. Типовые положения, 1991 г.»:
42
ПДК ВВ в водном объекте - это такая концентрация, при превышении которой
вода становится непригодной для одного или нескольких видов (категорий)
водопользования (ГОСТ 17.4.03-72): для нужд населения, предприятий пищевой
промышленностей и др. В стране нет единых общегосударственных норм
качества воды. Поэтому «условно» чистые промышленные стоки, прошедшие
основную и дополнительную ступени очистки, соответствуют ПДК, но их
ингредиентный состав во много раз превышает их естественные концентрации в
свежей водной среде. Поэтому любой сброс очищенных сточных вод вызывает
эвтрофикацию водоемов или эв- трофирование воды - развитие
микроскопических водорослей (цветение воды), разложение отмерших
организмов и др., с поглощением кислорода, го есть лишает воду способности к
самоочищению.
По данным Госкомстата РФ (1994 г.), общее количество сточных вод в России
составило 20123 млн м /год. Через очистные сооружения прошло 79,5% общего
количества сбросов. Без очистки сбрасывается 20,5% сточных вод.
Рассмотрим кратко нормирование загрязняющих веществ в литосфере,
иначе в почве (свалки, полигоны и т.п.). ПДКП - предельно допустимая
концентрация химического вещества в пахотном слое почве (мг/кг), которое не
должно вызывать прямого или косвенного отрицательного влияния на
соприкасающуюся с почвой среду и здоровье человека, а также на самоочищающую способность почвы. В случае отсутствия ПДКп оценка производится
сопоставлением содержания химических веществ в загрязненных (исследуемых)
и контрольных образцах почвы.
Почвенный покров, в отличие от воды и атмосферы, способен аккумулировать
ВВ в течение длительного времени, постепенно приближаясь к ПДКп. Поэтому
условие безопасности в этом случае можно записать как
ПДВТ - ПДКп,
где т, год, мес. - длительность работы предприятия, образующего твердые
отходы, в течение которого в почве прилегающих территорий (или специальных
полигонов), количество ВВ достигает ПДК.
Загрязнение тяжелыми металлами почв - наиболее актуальная задача охраны
литосферы. В настоящее время для приоритетных тяжелых металлов
установлены ориентировочно допустимые количества (ОДК) их содержания в
почвах, которые используются вместо ПДК (табл. 3.3).
Таблица 3.3
ОДК (ПДК) тяжелых металлов в почве, мг/кг
Металл
ОДК (ПДК)
Мышьяк
2,0
Ртуть
Свинец
2,1
32,0
Форма элемента
Валовое содержание
i«
43
Металл
Продолжение таблицы 3.3
ОДК (ПДК)
Форма элемента
Свинец + ртуть
20,1 + 1,0
•I
Хром (IV)
Марганец
Ванадий
Марганец + ванадий
Сурьма
Медь
Никель
Цинк
Кобальт
Хром
0,05
1500
150
1000 + 100
4,5
3,0
4,0
2,3
5,0
6,0
Валовое содержание
н
It
It
It
Подвижные соединения
it
•1
и
и
«ш
Примечание: утверждены приказами органов здравоохранения № 1968-79; 25546-82;
3210-85 и 4433-87.
При определении допустимого поступления твердого отхода в почву особое
внимание необходимо уделять тем соединениям, которые могут испаряться в
атмосферу, впитываться грунтовыми или поверхностными водами или
накапливаться в живых организмах и растениях.
ПДК некоторых других загрязняющих веществ (химических соединений)
приведены в монографиях [6, 7] и п р и л о ж е н и и 3.4 [8].
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Протасов В.Ф., Молчанов А.В. Словарь экологических терминов и понятий. М :
Финансы и статистика, 1997. 160 с.
2. Мазур И.И., Шишов В.Н. Основы охраны окружающей среды при строительстве
нефтегазовых объектов. М.: Недра, 1992. 150 с.
3 Методические рекомендации по заполнению и ведению экологического паспорта
промышленного предприятия (ГОСТ 17.0.0.04-90). М.: Госкомприрода СССР, 1990 28 с.
4. Стадницкий Г.В., Родионов AM. Экология. СПб.: Химия, 1996. 240 с.
5. Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ,
содержащихся в выбросах предприятий. ОН Д. Л/. Гидрометеоиздат, 1987. 94 с.
6. Чехов О.С., Назаров В.И., Калыгин В.Г. Вопросы экологии в стекольном производстве М.: Легпромбытиздат, 1990. 144 с.
7. Калыгин В.Г., Попов Ю.П. Порошковые технологии: экологическая безопасность
и ресурсосбережение. М.: Изд-во МГАХМ, 1996. 212 с.
8. Протасов В.Ф., Молчанов А.В. Экология, здоровье и природопользование в
России. М: Финансы и статистика, 1995. 528 с.
***
П Р И Л О Ж Е Н И Е 3.1
44
Избранные государственные (отраслевые) стандарты
и нормативные документы
1. ГОСТ 17.0.0.02-79. Охрана природы. Метрологическое обеспечение
контроля загрязнения атмосферы, поверхностных вод и почвы. Основные
положения.
2. ГОСТ 17.2.3.01-76. Охрана природы. Атмосфера. Классификация выбросов
по составу.
3. ГОСТ 17.3.6.01-86. Охрана природы. Атмосфера. Приборы для отбора проб
воздуха населенных пунктов. Общие технические требования. Взамен ГОСТ
17.2.6.01-80.
4. ГОСТ 17.2.3.01-86. Охрана природы. Атмосфера. Правила контроля
качества воздуха населенных пунктов.
5. ГОСТ 17,2.3.02-78. Охрана природы. Атмосфера. Правила установ- мения
допустимых выбросов вредных веществ промышленными предприятиями.
6. ГОСТ 17.2.4.02-81. Охрана природы. Атмосфера. Общие требования к
методам определения загрязняющих веществ.
7. ГОСТ 17.2.4.03-81. Охрана природы. Атмосфера. Индофинальный метод
определения аммиака.
8. ГОСТ 17.2.1.03-84. Охрана природы. Атмосфера. Термины и определения
контроля загрязнений.
9. ГОСТ 17.2.1.04-77. Охрана природы. Атмосфера. Источники и метеорологические факторы загрязнения, промышленные выбросы. Термины и
определения.
10. ГОСТ 17.1.1.02-77. Охрана природы. Гидросфера. Классификация водных
объектов.
11. ГОСТ 17.1.3.04-82. Охрана природы. Гидросфера. Общие требования к
охране поверхностных и подземных вод от загрязнения пестицидами.
12. ГОСТ 17.1.3.05-82. Охрана природы. Гидросфера. Общие требования к
охране поверхностных и подземных вод от загрязнения нефтью и
нефтепродуктами.
13. ГОСТ 17.1.3.06-82. Охрана природы. Гидросфера. Общие требования к
охране поверхностных и подземных вод.
14. ГОСТ 17.1.1.01-77. Охрана природы. Гидросфера. Использование и охрана
вод. Основные термины и определения.
15. ГОСТ 17.1.3.10-83. Охрана природы. Гидросфера. Общие требования к
охране поверхностных и подземных вод от загрязнения нефтью и
нефтепродуктами при транспортировании по трубопроводу.
16. ГОСТ 17.1.3.11-84. Охрана природы. Гидросфера. Общие требования к
охране поверхностных и подземных вод от загрязнения минеральными
удобрениями.
17. ГОСТ 17.1.4.01-80. Охрана природы. Гидросфера. Общие требования к
методам определения нефтепродуктов в природных и сточных водах.
18. ГОСТ 17.1.3.12-86. Охрана природы. Гидросфера. Общие требования к
охране поверхностных и подземных вод от загрязнения при бурении и добыче
нефти и газа на суше.
45
19. ГОСТ 17.1.3.13-86. Охрана природы. Гидросфера. Общие требования к
охране поверхностных вод от загрязнения.
20. ОСТ 34.70-656-84. Охрана природы. Гидросфера. Водопотребление и
водоотведение в теплоэнергетике. Основные термины и определения. Срок
действия до 31.12.99.
21. ГОСТ 25150-82. Канализация. Термины и определения.
22. ОСТ 11.091.630.3-81. Охрана природы. Технический паспорт очистных
сооружений.
23. ОСТ 11.091.630.8-83. Охрана окружающей среды. Типовая инструкция по
эксплуатации очистных сооружений.
24. ОСТ 34.70-685-84. Охрана природы. Гидросфера. Сточные воды
электростанций. Классификация. Срок действия до 31.12.99.
25. ОСТ 38.01195-80. Вода (техническая, оборотная, сточная) нефтеперерабатывающих заводов. Методы определения взвешенных и растворенных
веществ.
26. ОСТ 11091.630.10-84. Охрана природы. Правила технической эксплуатации промышленного водопровода и канализации.
27. ОСТ 51.01-06-85. Охрана природы. Гидросфера. Правила утилизации
отходов бурения и нефтегазодобычи в море.
28. ГОСТ 17.1.3.11-84. Охрана природы. Гидросфера. Общие требования
охраны поверхностных и подземных вод от загрязнения минеральными
удобрениями.
29. Санитарные правила по хранению, транспортировке и применению
минеральных удобрений в сельском хозяйстве. М.: МЗ СССР, 1974.
30. ГОСТ 17.4.3.02-85. Охрана природы. Почвы. Требования к охране
плодородного слоя почвы при производстве земляных работ.
31. ГОСТ 17.4.1.02-83. Охрана природы. Почвы. Классификация химических
веществ для контроля загрязнения.
32. ГОСТ 17.4.1.03-84. Охрана природы. Почвы. Термины и определение
химического загрязнения.
33. ГОСТ 17.4.3.03-85. Охрана природы. Почвы. Общие требования к методам
определения загрязняющих веществ.
34. ГОСТ 17.4.3.06-86. Охрана природы. Почвы. Общие требования к
классификации почв по влиянию на них химических загрязняющих веществ.
35. Предельно допустимые концентрации пестицидов в почве (ПДК). Список
№ 2. М.: МЗ СССР, 1981.
36. Предельно допустимые концентрации пестицидов в почве (ПДК). Список
№ 3. М.: МЗ СССР, 1982.
37. Предельно допустимые концентрации химических веществ в почве (ПДК).
М.: МЗ СССР, 1985.
38. Санитарно-гигиенические нормы предельно допустимых количеств (ПДК) и
ориентировочно допустимых количеств (ОДК) пестицидов в почве (СанПиН №
42-128-4275-87). М.: МЗ СССР, 1987.
39. Санитарные нормы допустимых концентраций химических веществ • почве
(СанПиН № 42-128-4433-87). М.: МЗ СССР, 1988.
46
40. ГОСТ 17.5.4.02-84. Охрана природы. Рекультивация земель. Метод
измерения и расчета суммы токсических солей во вскрышных и вмещающих
породах.
41. ГОСТ 17.0.0.04-90. Экологический паспорт предприятия.
42. Временный классификатор токсичных промышленных отходов и методические рекомендации по определению класса токсичности промышленных
отходов. М.: МЗ СССР, 1987.
43. Временные рекомендации по проведению геолого-экологических исследований на действующих и проектируемых полигонах твердых бытовых
отходов г. Москвы и Московской области. М.: Мингео СССР, ПГО «Центргеология», 1989.
44. Инструкция по проектированию и эксплуатации полигонов для твердых
бытовых отходов. М.: Минжилкоммунхоз РСФСР; Изд-во ОНТИ АКХ им. К.Д.
Памфилова, 1982.
45. Инструкция по проектированию и эксплуатации полигонов для твердых
бытовых отходов. М.: МЗ СССР, 1984,
46. Об утилизации, обезвреживании и захоронении токсичных промышленных
отходов (№ 591). М.: МЗ СССР, 1984.
47. Основные положения по составу проекта полигонов по обезвреживанию и
захонению токсичных промышленных отходов. СИиП 2.01.29-85.
48. Порядок накопления, транспортировки, обезвреживания и захоронения
токсичных промышленных отходов (№ 3183-84). М.: МЗ СССР, 1985.
49. Предельное количество накопления токсичных промышленных отходов на
территории предприятия (организации). М.: МЗ СССР, 1985.
50. Предельное количество промышленных отходов, допускаемое для
складирования в накопителях (на полигонах) твердых бытовых отходов
(нормативный документ). М.: МЗ СССР, 1985.
51. Санитарные правила проектирования, строительства и эксплуатации
захоронения неутилизируемых промышленных отходов. М.: МЗ СССР, 1977.
52. Санитарные правила устройства и содержания полигонов для твердых
бытовых отходов (№ 2811-83). М.: МЗ СССР, 1983.
53. Указания по проектированию золоотвалов тепловых электрических
станций. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1964.
54. ГОСТ 20286-76. Радиоактивное загрязнение и дезактивация. Термины и
определения.
55. Допустимые выбросы радиоактивных и химических веществ в атмосферу.
М.: Энергоиздат, 1985.
56. Методические рекомендации по санитарному контролю за содержание
радиоактивных веществ в объектах внешней среды/Под ред. П.И. Ма- рея, А.С.
Зыковой. М., 1980.
57. Нормы радиационной безопасности (НРБ-76/87) и основные санитарные
правила работы с радиоактивными веществами и другими источниками
ионизирующих излучений (ОСП-72/87). М.: МЗ СССР, 1988.
58 Пределы поступления радионуклидов, работающих с радиоактивными
веществами в открытом виде. Публикация 30 МЗРЗ. Ч. 2. М.: Энерго- атомиздат,
1984.
47
59. Санитарно-гигиенические требования к средствам индивидуальной
защиты и их применению при работе с радиоактивными веществами и другими
источниками ионизирующих излучений (ОРБ № 13). М., 1981.
60. Санитарные правила проектирования и эксплуатации атомных электростанций (СП АЭС-79). М., 1981.
61. Санитарные правила обращения с радиоактивными отходами (СПОРО-85, СанПиН 42-129-11-3938-86). М.: МЗ СССР, 1986.
62. ГОСТ 23337-78. Шум. Методы измерения шума на селитебной тер
ритории и в помещениях жилых и общественных зданий.
63. ГОСТ 23941-79. Шум. Методы определения шумовых характеристик
Общие требования.
64. Временные санитарные нормы и правила защиты населения от воздействия электромагнитных полей, создаваемых радиотехническими объектами.
М., 1984.
65. Проведение исследований по изучению эффектов сочетанного действия
химических веществ с физическими факторами (шум, вибрация, повышенная
температура) с целью гигиенической оценки производственной среды:
Методические рекомендации (№ 3242-85). М.: МЗ СССР, 1985.
66. Санитарные нормы вибрации рабочих мест (СН 3044-84). М.: МЗ СССР,
1984.
67. Санитарные нормы и правила защиты населения от воздействия,
электрического поля, создаваемого воздушными линиями электропередачи
переменного тока промышленной частоты. М.: МЗ СССР, 1984.
68. ГОСТ 17.2.4.02-84. Охрана природы. Гидросфера. Общие требова-' ния к
методам определения загрязняющих веществ.
69. ГОСТ 17.2.1.03-84. Охрана природы. Атмосфера. Термины и опре-,
деления контроля загрязнений.
70. ГОСТ 17.0.03-84. Охрана природы. Метрологическое обеспечение,
контроля загрязнения атмосферы, поверхностных вод и почв. Основные
положения.
71. Инструкция по проведению сбора, обработке и порядку представле-" ния
данных об изменениях в состоянии здоровья населения, связанных с
изменениями в окружающей природной среде. М.: МЗ СССР, 1981.
72. Методические рекомендации по спектральному определению тяжелых
металлов в биологических материалах и объектах окружающей среды М.: АМН
СССР, 1986.
73. Указания по определению фоновых концентраций вредных веществ. П.:
Госкомгидромет, 1981.
74. Федеральный закон «Об экологической экспертизе» № 174-ФЗ от 23
ноября 1995 г. Основные положения. Государственная экологическая экспертиза.
Права граждан и общественных организаций (объединений) в области
экологической экспертизы. Общественная экологическая экспертиза
Права и обязанности заказчиков документации. Финансирование экологической
экспертизы. Решение споров в области экологической экспертизы.
Международные договоры РФ. Заключительные положения.
48
75. ГОСТ 17.0.0.04-90. Экологический паспорт промышленного предприптия. Основные положения.
76. ГОСТ Р 22.0.01.-94 БЧС (Безопасность в чрезвычайных ситуациях).
Основные положения.
77. ГОСТ Р 22.0.06.-95 БЧС. Источники природных чрезвычайных ситуаций.
Поражающие факторы. Номенклатура поражающих воздействий.
78. ГОСТ Р 22.0.07.-95 БЧС. Источники техногенных ЧС. Классификация и
номенклатура поражающих факторов и их параметров.
79. ГОСТ Р 22.1.01.-95 БЧС. Мониторинг и прогнозирование. Основные
положения.
80. ГОСТ Р 22.1.05.-95 БЧС. Средства технического мониторинга. Общие
технические требования.
П Р И Л О Ж Е Н И Е 3.2
Предельно допустимые концентрации загрязняющих веществ в атмосферном
воздухе населенных мест
No
Вещество
ПДК, мг/м3
максимальная
разовая
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
Азота диоксид
Азота оксид
Аммиак
Ангидрид серный
Бенз(а)пирен
Бензин (нефтяной малосернистый в пересчете на углерод)
Бензин сланцевый (в пересчете
на углерод)
Бензол
Взвешенные вещества Недифференцированная по составу пыль
(аэрозоль), содержащаяся в воздухе населенных пунктов*
Водород хлористый по молекуле
HCI
Железа оксид в пересчете на
железо
Железа сульфат в пересчете на
железо
Кислота азотная по молекуле
HN03
Класс
среднесуточная
опасности
0,085
0,04
2
0,6
0,06
3
0,2
0,04
4
0,5
0,05
3
0,1x10°
1,5
1
4
0,05
0,05
4
1,5
0,1
2
0,5
0,15
3
0,2
0,2
2
—-
0,04
3
—
0,007
3
0,15
2
—
5
0,4
49
Продолжение п р и л о ж е н и я 3.2
Вещество
ПДК, мг/м3
№
максимальная
разовая
среднесуточная
Класс
опасности
14
Кислота серная по молекуле H2S04
0,3
0,1
2
15
16
Магния оксид
Соединения ртути в пересчете на
ртуть
Озон
Пыль неорганическая, содержащая более 70% оксида кремния
(динас и др.)
То же от 70 до 20% (шамот, цемент)
То же ниже 20% (доломит и др.)
Сажа
Сероводород
Углерод оксид
Фенол
Фенолы сланцевые
Кальция оксид (ориентировочно
безопасный уровень воздействия)
0,4
0,05
0,0003
3
1
0,16
0,15
0,03
0,05
1
3
0,3
0,1
3
0,5
0,15
0,008
5
0,01
0,007
0,3
0,15
0,05
3
3
2
4
2
3
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
—
—
3
0,003
—
* Примечание: не распространяется на аэрозоли органических и неорганических
соединений, для которых устанавливаются соответствующие ПДК.
П Р И Л О Ж Е Н И Е 3.3
Предельно допустимые концентрации загрязняющих веществ
в воздухе рабочей зоны
№
1
2
3
4
5
6
7
Вещество
Азота оксиды в пересчете на NO2
Аммиак
Бензин топливный (сланцевый, крекинг
и др.) в пересчете на углерод
Бензол
Дым пентактида ванадия
Пыль три- и пентактида ванадия
Пыль ванадийсодержащих шлаков
ПДК,
мг/м3
Агрегатное
состояние
Класс
опасности
П
3
25
100
П+А
П
4
4
5+
0,1
0,5
4
П
А
А
А
2
1
2
3
2
50
Продолжение п р и л о ж е н и я 3.3
Nb
Вещество
ПДК,
мг/м3
Агрегатное
состояние
Класс
опасности
0,2
0,1
0,05
2
П
П
п
ох
П
2
1
1
3
1
10
А
4
10
0,1
0,01
1
10
10+
4
А
3
1
1
2
3
2
4
6
0,5
А
Возгоны каменноугольных смол и пеков
при среднем содержании в них бенз(а)пирена, %
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
0,075
0,075-0,15
0,15-0,3
Германий и его оксид
Гидразин-гидрат, гидразин и его производные
Каменный уголь с содержанием свободного диоксида кремния до 5%
Нефть сырая
Озон
Ртуть металлическая
Серная кислота, серный ангидрид
Сернистый ангидрид
Сероводород
Углеводородная и угольная пыль с
содержанием свободного диоксида кремния от 5 до 10%
Шамот каоклиновый
Щелочи едкие (растворы) в пересчете
на NaOH
А
П
П
А
П
П
А
А
4
2
Аэрозоли преимущественно фиброгенного действия
1
Алюминия оксид (в том числе с примесью диоксида кремния)
2
2
3
4
5
6
Доломит
Зола горючих сланцев
Известняк
Магнезит
Сажи черные промышленные с содержанием 3,4 бенз(а)пирена не более 35 мг/кг
6
6
6
10
4
7
8
9
10
Асбест природный и искусственный
Асбестоцемент
Стеклянное и минеральное волокно
Цемент, глина
2
6
4
6
—
—
—
—
—
—
—
—
—
4
4
4
4
4
4
4
4
4
4
Примечание: «А» - вещество находится в форме аэрозоля, «/7» - пара. Знак «+»
означает, что вещество опасно и при поступлении через кожу.
П Р И Л О Ж Е Н И Е 3 .4
51
ПДК загрязняющих веществ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого
и культурно-бытового водопользования
Вещество
ПДК, мг/л
Лимитирующий
показатель вредности
Класс
опасности
Барий
0,1
Санитарно-токсикологический
3
Бенз(а)пирен
Бензол
Бериллий
Винилхлорид
Диоксин*
Дифенил
Дихлорбромметан*
Кадмий
Марганец
0,000005
0,5
0,0002
0,05
1
2
1
2
1
2
2
2
3
Медь
1,0
Нефть многосернистая
0,1
То же
То же
То же
То же
То же
То же
То же
То же
Органолептический
цветной
То же, появление
привкуса
То же, образование
пленок на поверхности
воды
То же
Санитарно-токсикологический
То же
То же
Санитарно-токсикологический
Органолептический,
изменения запаса воды
С а н ита р но-то кси
ко- логический
Общесанитарный
2
—
0,001
0Т03
0,001
0,1
Нефть прочая
Нитраты
0,3
45
Нитриты
Свинец
Тетраэтилсвинец
3,3
0,03
Отсутств.
Фенол
0,001
Формальдегид
0,05
Цинк
1,0
3
4
3
2
2
1
4
3
* Ориентировочно допустимый уровень
Лекция 4. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ СИСТЕМНОГО АНАЛИЗА ПРОЦЕССОВ И
АППАРАТОВ ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
Развитие химических и смежных технологий (на примере производства
порошковых материалов - ПМ) идет по пути увеличения выпуска продукции,
внедрения новой экологически безопасной техники, создания энергосберегающих и малоотходных производств. Промышленные процессы протекают в так называемых химико-технологических системах (ХТС), каждая из
52
которых представляет собой совокупность процессов и аппаратов, объединенных в единый производственный комплекс для выпуска ПМ различного
назначения [1-5]. Основной метод исследования ХТС - математическое
моделирование. Наряду с моделями отдельных аппаратов используют модель
всей системы, так как процессы, протекающие в отдельных аппаратах, влияют
друг на друга. Предполагается, что аппараты, обеспечивающие реализацию
высокоэффективных малоотходных и энергосберегающих технологий,
являются элементами (подсистемами) одной большой установки. Анализ
структуры такой системы связан с декомпозицией ее элементов и подсистем,
выявлением их устойчивых взаимоотношений и обычно проходит в две стадии.
Первая стадия включает математическое моделирование отдельных
подсистем, так называемое макроисследование, а вторая - микроисспедование
элементов подсистем. На второй стадии изучаются процессы, протекающие в
машинах или агрегатах, и осуществляется усовершенствование применяемого
оборудования.
Математическое моделирование используется при составлении моделей как
на уровне отдельных процессов и аппаратов, так и на уровне их совокупностей.
Модели должны учитывать принципы наилучшего использования сырья,
повышения качества целевого продукта, рационального применения энергии,
транспорта, информации, экологической защиты.
Процессы порошковых технологий отличаются большим ассортиментом
продуктов, которые можно получить из одного и того же сырья, разнообразием
оборудования для получения одного и того же продукта, динамикой
промышленных выбросов (газообразных, жидких и твердых) и специфическими
условиями их хранения и дальнейшей переработки (области использования).
Поэтому за элемент системы принимают обычно технологическую операцию,
включающую несколько физико-химических процессов. Превращение исходного
сырья в промежуточный продукт или промежуточного продукта в конечное
изделие происходит в результате нескольких операций, совокупность которых
образует конкретную подсистему.
Учитывая условие агрегации таких подсистем в ХТС, можно ввести
с л е д у ю щ и е у р о в н и и е р а р х и и рассматриваемого производства ПМ:
Уровень иерархии ХТС Типовой пример
Отрасль
Завод
Цех
Совокупность заводов, объединенных сырьем,
полупродуктами, целевыми продуктами.
Совокупность цехов, объединенных общим
сырьем или полупродуктами, или вторично используемыми отходами, включая вспомогательные
службы.
Технологическая линия
53
Типовой процесс (элемент системы)
Совокупность
отделений, работающих
на выпуск заданной
продукции:
предварительной
обработки сырья, выпуска
товарной
продукции,
переработки отходов, обеспыливания и обезвреживания промышленных выбросов.
Процесс (измельчение, смешение и т.п.) или
совокупность процессов (компактирование классификация - транспортировка и т.п.), связанных общей производственной линией.
Дробилка, измельчитель, смеситель, валковый
пресс, термический реактор и т.п.
Такая формализация рассматриваемой ХТС и ее иерархическая структура
является важными предпосылками к созданию и внедрению на предприятиях
высокоэффективных порошковых технологий (модулей), базирующих ся на
рассмотренных принципах и позволяющих реализовать в каждом конкретном случае
наиболее рациональную ХТС подготовки и переработки ПМ Далее кратко
остановимся на общем описании предложенных уровней иерархии, а также
рассмотрим некоторые задачи, характерные для каждого уровня
Необходимо принимать во внимание, что элементы верхнего уровня иерархии отрасли или завода - связаны между собой и окружающей средой многочисленными
подсистемами для транспорта сырья, энергии, полупродуктов и т.п. Они также
содержат многовариантные подсистемы для закупки, распределения, хранения
сырья, продуктов, сроков ввода новых объектов и т.д.
Для решения задач на верхнем уровне предложено использовать технико-экономические линейные модели, которые отражают взаимосвязь по линии
«сырье - продукты» (пример типовой системы изображен на р и с. 4.1)
Имеющееся количество сырья
--------1—|------------------------------------------------------------- 1—j --SN | | SN-i
...
S2 j j Si
Плановая потребность в продуктах
Р и с . 4.1. Информационная схема (алгоритм) для построения математической
модели «отрасль»
m
Gj + ^ayXj + g j - 0 ;
H
Gj <; S-p gi ^dj; X] sp,;
j = 1, 2, m; i -1, 2, n,
54
где G, _ количество /-го вещества - сырья; т - число технологий (производственных
систем); а,у - коэффициент эффективности переработки /-го продукта в у-й
подсистеме; < 0, если i - сырье; ау > 0, если i - продукт производства; а характеризует матрицу преобразования вещества в результате реализации
технологий; х^ - количество вещества, перерабатываемого в у-й подсистеме; д, количество /-го вещества - продукта производства; S, - количество сырья; с/, требуемое количество /-го сырья; р, - ограничение по мощности у-й подсистемы; п число различных веществ в системе (сырье, полупродукты, продукты).
Аналогичные модели можно построить и для других балансовых величин энергии, стоимости. Используя соответствующую целевую функцию, можно найти
требуемые оптимальные решения.
Для решения задач на среднем и нижнем уровнях иерархии (с учетом
применения для процессов предварительной подготовки и последующей
переработки ПМ самой разнообразной аппаратуры, которую желательно
рассматривать в свете функционирования всей технологической линии, то есть
решать основную задачу ХТС) необходимо иметь в виду следующее.
Анализ основных процессов подготовки и переработки ПМ (проведен на примере
стекольных шихт) показал, что обобщающей стороной технологии является процесс
активации сырья (механической, химической, термической или их совокупностью) с
целью повышения показателей эффективности процесса стекловарения
(интенсификация процесса плавления, повышение производительности печи,
прогнозирование свойств стекол, снижение безвозвратных потерь компонентов). В
связи с этим выделяют пять основных (приоритетных) подсистем, обладающих с
одной стороны полной автономностью, с другой - тесной взаимосвязью в рамках
рассматриваемой технологии (рис. 4.2) и имеющих с л е д у ю щ и е ц е л и :
/. Подсистема подготовки:
Измельчение - образовать из сырья полупродукт с нарушенной кристаллической
решеткой заданного гранулометрического состава, часто с удалением влаги и
декарбонизацией.
Дозировка - обеспечить отмеривание исходных компонентов в таких
количествах, соотношение которых обеспечивает соответствие показателей
качества смеси требуемым значениям.
Смешение - получить химически и механически однородную смесь ингредиентов
шихты или их групп, иногда с добавлением технологического связующего и отходов
основного производства.
Компактирование - получить из многокомпонентного полидисперсного порошка
компактные плитки (гранулы) необходимой прочности, плотности и влажности.
55
Р и с . 4.2. Схема системной постадийнойразработки и усовершенствования
ресурсосберегающей техники подготовки
и переработки стекольных шихт
II. Подсистема надежности (обеспечения стабильности подготовки):
Износостойкость узлов и (или) конструкционных материалов - обеспечить
заданные технологией режимные параметры процесса.
56
характеристики сырья - снизить интенсивность
отказов и интенсифицировать активационные эффекты.
III. Подсистема оценки качества полупродукта:
Активность компонентов и шихты - прогнозировать степень модификации
сырья (шихты) и характеристики (структуру) будущих расплавов (стекол, волокон).
IV. Подсистема переработки:
Стекловарение - переработать подготовленный полупродукт (шихту) в
стекломассу (чаще в стеклоизделия, например, стеклошарики) с заданными
характеристиками.
Формование стеклянных нитей - перевести расплав шихты или стек- лошариков
в твердую фазу - элементарное волокно.
V. Подсистема природоохранной стратегии:
Экологическая безопасность и ресурсосбережение - выявить приоритетные
загрязнения окружающей среды, минимизировать их и оценить ХТС на соответствие
критериям мало- и безотходных технологий.
Из сказанного следует, что производственные процессы получения стекла и
стеклянного волокна характеризуются большим разнообразием выпускаемой
продукции и сложностью. Общей чертой этих процессов является то, что для
превращения исходного сырья (отдельных компонентов) в шихту или полупродуктов
(шихты, стеклошариков, стекломассы) в целевой конечный продукт - стекловолокно необходимо большое число функционально различных ступеней подготовки и
переработки. Для целенаправленного осуществления этих технологий требуются
разные виды энергии, вспомогательных веществ и информации, так называемые
параметры процесса. В литературе (системном анализе) принято деление
параметров на входные, управляющие, возмущающие и выходные.
Установить влияние характера взаимодействий различных фаз системы Т-Т; Ж-Т;
Г-Т и т.п. (например, порошковой или гранулированной шихты, расплава стекла и его
твердых отходов, режимных параметров оборудования и др.) на количество и состав
промышленных выбросов, качество стеклоизделий, срок службы оборудования и так
далее можно следующим образом. Для этого графически исходную технологическую
линию представляют в виде блок-схемы (прямоугольника), ограничивающего
систему, которая содержит от 2 до 6 прямоугольников, ограничивающих подсистему. В подсистему входят несколько операторов, отражающих сущность
технологической операции или операций, выполняемых в машине или агрегате.
Границы оператора совпадают с границами такой машины или операции. Оператор
содержит один или несколько процессоров, под которыми понимают
физико-химические процессы. Связи между операторами выражают в виде линий
материальных потоков.
Изображения типовых процессоров представлены на р и с , 4,3, опера торной
модели линии - на рис. 13.1 (см. лекцию 13).
Структурно-механические
57
Р и с . 4.3. Схема технологических процессов производства
стекловолокна: 1 - соединение без сохранения поверхности раздела исходных
компонентов (стадия сил и катообразования); 2 - соединение с сохранением
поверхности раздела исходных компонентов исходной шихты (смешение); 3 уплотнение (комлактирование) шихты с частичным сохранен и ем поверхности
раздела исходных компонентов при небольшом или среднем давлении прессо
вания, 4 - компактирование шихты без сохранения поверхности раздела
компонентов при высо ком давлении прессования; 5-дробление; б - сложный
процессор (комплекс физических, хими ческих, тепло- и массообменных
процессов); 7- придание стекломассе формы; 8 - термообра ботка (нагрев,
расплавление, отжиг, охлаждение); 9- изменение агрегатного состояния; 1 0 - до
зирование, 11 - перемешивание шихты без изменения агрегатного состояния, 12 разделение (классификация); 1 3 - вторичное использование (рекуперация)
теплоты, 1 4 - формование пучка волокон, 1 5 - соединение пучка волокон в нить
Анализ операторной модели линии, целей подсистем и их параметров показал,
что работу всей системы определяют подсистемы образования компактированной
шихты и стекломассы. При их исследовании и функциональном анализе
целесообразно рассматривать не систему машин и аппаратов, а систему
протекающих в них процессов. При этом технологический процесс может быть
представлен как преобразование множества входов (исходное состояние шихты) в
множество выходов (промежуточное или ко нечное состояние изделия).
Сложный характер взаимосвязей элементов подсистем может быть выявлен при
использовании
статистических
методов
планирования
эксперимента
и
вычислительной техники.
Таким образом, результаты системного анализа можно использовать для разных
целей: сбора информации о процессах и структуре связей ме жду элементами и
подсистемами в зависимости от технологических и конструкционных параметров
систем, составления топологических моделей проведения многофакторных
экспериментов в производственных условиях, а главное - при синтезе новых
технологических схем, обеспечивающих работу линии в оптимальном режиме по
эколого-экономическим показателям.
58
Рассмотрим в общем виде некоторые варианты применения операторной
модели по указанным целям.
Производство ПМ состоит из множества процессов, на которые влияет огромное
количество факторов. При оптимизации таких процессов с помощью
многофакторного эксперимента используют априорное ранжирование факторов и
определяют их уровни. Важно правильно выбрать критерий оптимизации (например,
качество изделия, экологическую безопасность процесса или материала,
комплексность применения сырьевых, вторичных и энергетических ресурсов,
стабильность процессов, протекающих в подсистемах и т.д.). Таких критериев может
быть несколько и они определяются конкретными условиями производства.
Выбранный критерий связывает существенные факторы в математическую модель
(полином). Применяя статистические методы планирования эксперимента, в
зависимости от цели работы минимизируют или максимизируют критерий
оптимизации. Например, определяют минимум предельно допустимых выбросов
(ПДВ) по целевому или токсичному компоненту, или максимум BMP (возвратных или
покупных), применяемых как основной ингредиент смеси при сохранении
стабильности комплексного показателя качества изделий. Причем в качестве
управляющих факторов могут использоваться параметры различных подсистем:
влажность порошковой шихты или гранул, плотность и прочность гранул, режимные
характеристики оборудования, выбросы (сбросы) В биосферу, здоровье человека и
т.д.
Остановимся подробнее, с учетом накопленного опыта и последних достижений
науки и техники, на реализации принципов формирования и синтеза ХТС
рассмотренных уровней иерархии. В соответствии с предлагаемой методологией
далее будут изложены особенности их функционирования.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Кафаров В.В., Дорохов И.Н., Арутюнов С.Ю. Системный анализ процессов химической технологии. М : Наука, 1985. 440 с.
2. Бальцер Д., Вайс В., Викторов В.К. и др. Химико-технологические системы. Л.:
Химия, 1986. 424 с.
3. Попов Ю.П., Брянская Э.А.. Смирнов Л.А. Многовариантный синтез оптимальных
химико-технологических схем и аппаратуры/Юптимальное проектирование в задачах
химического машиностроения. М.: Изд-во МИХМ, 1983. С. 39-43.
4. Калыгин В.Г. Разработка и совершенствование ресурсосберегающей техники
подготовки и переработки стекольных шихт. Автореф. диссертации д-ра техн. наук. М..
Изд-во МИХМ, 1991. 32 с.
5. Кафаров В.В. Принципы создания безотходных производств. М.: Химия, 1982. 288 с.
Т е м а II. ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ (ТЕХНИКА) ДЛЯ
ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ И
РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЙ
59
Лекция 5. ОЧИСТКА И ПЕРЕРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ГАЗОВ, ДЫМОВЫХ
ОТХОДОВ И ВЕНТИЛЯЦИОННЫХ ВЫБРОСОВ
Защита окружающей среды от загрязнений включает, с одной стороны,
специальные методы и оборудование для очистки газовых и жидких сред,
переработки отходов и шламов, вторичного использования теплоты и максимального
снижения теплового загрязнения. С другой стороны, для этого разрабатывают
технологические
процессы
и оборудование,
отвечающие
требованиям
промышленной экологии, причем технику защиты окружающей среды применяют
практически на всех этапах технологий. Предлагаемые к рассмотрению в лекциях 5,
6 и 7 методы и устройства защиты окружающей среды сгруппированы по типу
очищаемой среды (газовая, жидкая, твердая, комбинированная) или вторично
используемого отхода в зависимости от его характеристик.
Газообразные промышленные отходы включают в себя не вступившие в реакции
газы (компоненты) исходного сырья; газообразные продукты; отработанный воздух
окислительных процессов; сжатый (компрессорный) воздух для транспортировки
порошковых материалов, для сушки, нагрева, охлаждения и регенерации
катализаторов; для продувки осадков на фильтровальных тканях и других элементах;
индивидуальные газы (аммиак, водород, диоксид серы и др.); смеси нескольких
компонентов (азотоводород- ная смесь, аммиачно-воздушная смесь, смесь диоксида
серы и фосгена); газопылевые потоки различных технологий; отходящие дымовые
газы термических реакторов, топок и др., а также отходы газов, образующиеся при
вентиляции рабочих мест и помещений. Кроме этого, все порошковые технологии
сопровождаются
интенсивным
выделением
газопылевых
отходов.
Пылеобразование происходит в процессах измельчения, классификации, смешения,
сушки и транспортирования порошковых и гранулированных сыпучих материалов [1,
2].
Для очистки газообразных и газопылевых выбросов с целью их обезвреживания
или извлечения из них дорогих и дефицитных компонентов применяют различное
очистное оборудование и соответствующие технологические приемы.
В настоящее время методы очистки запыленных газов классифицируют н а
следующие группы:
I. «Сухие» механические пылеуловители.
li. Пористые фильтры.
III. Электрофильтры.
IV. «Мокрые» пылеулавливающие аппараты.
5.1. Механические («сухие») пылеуловители
Такие пылеуловители условно делятся на т р и г р у п п ы :
- пылеосадительные камеры, принцип работы которых основан на действии
силы тяжести (гравитационной силы);
- инерционные пылеуловители, принцип работы которых основан на
действии силы инерции;
- циклоны, батарейные циклоны, вращающиеся пылеуловители, принцип
работы которых основан на действии центробежной силы.
60
Пылеуловительная камера представляет собой пустотелый или с горизонтальными полками во внутренней полости прямоугольный короб, в нижней части
которого имеется отверстие или бункер для сбора пыли (рис. 5.1.).
Р и с . 5.1. Пылеосадительные камеры:
а - полая, б - с горизонтальными полками; в, г -с вертикальными перегородками, /- запыленный газ; If - очищенный газ; III - пыль, 1 - корпус; 2 - бункер, 3 - штуцер для удаления; 4 полки, 5 - перегородки.
Скорость газа в камерах составляет 0,2-1,5 м/с, гидравлическое сопротивление
50-150 Па. Пылеосадительные камеры пригодны для улавливания крупных частиц
размером не менее 50 мкм. Степень очистки газа в камерах не превышает 40-50%.
Продолжительность прохождения т(с) газами осадительной камеры при
равномерном распределении газового потока по ее сечению составляет:
61
(5.1)
где V k - объем камеры, м3; V r - объемный расход газов, м3/с;
L - длина камеры, м; Б - ширина камеры, м; Н- высота
камеры, м.
В инерционных пылеуловителях для изменения направления движения
газов устанавливают перегородки (рис. 5.2). При этом наряду с силой тяжести
действуют и силы инерции. Пылевые частицы, стремясь сохранить направление
движения после изменения направления движения потока газов, осаждаются в
бункере. Газ в инерционном аппарате поступает со скоростью 5-15 м/с. Эти
аппараты отличаются от обычных пылеосадительных камео большим
Р и с . 5.2. Инерционные пылеуловители с различными способами
подачи
и распределения газового потока: а - камера с перегородкой, б - камера с
расширяющимся конусом, в - камера с заглубленным бункером.
сопоотивлением и высокой степенью очистки газа Г31.
Большое внимание при проектировании пневмотранспортных и других
устройств пылеочистки необходимо уделять узлам отделения материала от
транспортирующего воздуха - разгрузочным и пылеулавливающим устройствам
(циклонам, фильтрам и т.п.). В зависимости от способа отделения материала в
системах пневмотранспорта используют объемные разгрузочные устройства и
центробежные циклоны. Выбор того или иного типа устройства зависит от
конкретных условий работы установок и требований, предъявляемых к его
работе: наибольшее значение коэффициента осаждения материала,
минимальное сопротивление разгрузочного устройства, надежность в
эксплуатации.
Предпочтение отдается центробежным циклонам, выполняющим одновременно и роль пылеулавливающего аппарата. Эффективность улавливания
пыли в циклонах повышается с уменьшением диаметра корпуса, но при этом
снижается их пропускная способность. Для обеспечения соответ
62
ствующей производительности пневмотранспортной установки небольшие
циклоны группируют в батарею. Коэффициент пылеулавливания батареи
циклонов составляет 0,76-0,85 и несколько повышается с увеличением входной
скорости (с 11 до 23 м/с). Использование вместо циклонов вихревых
пылеуловителей обеспечивает улавливание частиц пыли размером 5-7 мкм.
Воздух после разгрузочных устройств или циклонов, насыщенный субмикронными частицами, должен направляться на доочистку в пылеуловители.
При выборе типа пылеуловителя в условиях работы таких установок учитывают
следующие показатели:
- степень пылеулавливания, равную отношению количества пыли, задержанной пылеуловителем, к количеству пыли, содержащейся в воздухе при
его поступлении в пылеуловитель;
- сопротивление пылеуловителя, от которого зависит экономичность
процесса пылеулавливания;
- габаритные размеры и масса пылеуловителя, надежность и простота его
обслуживания.
Циклоны рекомендуется использовать для предварительной очистки газов и
устанавливать перед высокоэффективными аппаратами (например, фильтрами
или электрофильтрами) очистки.
Основными элементами циклонов являются корпус, выхлопная труба и
бункер. Газ поступает в верхнюю часть корпуса через входной патрубок,
приваренный к корпусу тангенциально. Улавливание пыли происходит под
действием центробежной силы, возникающей при движении газа между
корпусом и выхлопной трубой. Уловленная пыль ссыпается в бункер, а
очищенный газ выбрасывается через выхлопную трубу (рис. 5.3).
В зависимости от производительности циклоны можно устанавливать по
одному (одиночные циклоны) или объединять в группы из двух, четырех, шести
или восьми циклонов (групповые циклоны).
Существуют батарейные циклоны. Конструктивной особенностью последних
является то, что закручивание газового потока и улавливание пыли в них
обеспечивается размещенными в корпусе аппарата циклонными элементами [4].
Ниже приведена т е х н и ч е с к а я х а р а к т е р и с т и к а наиболее распространенного на производстве циклона ЦН-15:
- допустимая запыленность газа, г/м3:
для слабослипающихся пылей - не более 1000; для
среднесливающихся пылей - 250;
- температура очищаемого газа, °С - не более 400;
- давление (разрежение), кПа (кг/см2) - не более 5 (500);
- коэффициент гидравлического сопротивления:
для одиночных циклонов - 147; для
групповых циклонов - 175-182;
- эффективность очистки (от пыли dm = 20 мкм, при скорости газопылевого
потока 3,5 м/с и диаметре циклона 100 мм), % - 78.
63
Р и с . 5.3. Циклон типа ЦН-15П: 1 - коническая часть
циклона; 2 - цилиндрическая часть циклона; 3 - винтообразная
крышка; 4 - камера очищенного газа; 5 - патрубок входа
запыленного газа, 6 - выхлопная труба; 7 - бункер; 8 - люк, 9 опорный пояс; 10 - пылевыпускное отверстие
Для расчетов режимов и выбора марки (конструкции) циклона необходимы
следующие исходные данные: количество очищаемого газа при рабочих
условиях Vr, м3/с; плотность газа при рабочих условиях р, кг/м3; динамическая
вязкость газа при рабочей температуре ц, Пахе; дисперсный состав пыли,
задаваемый двумя параметрами dm и lgar; запыленность газа Свх, г/м3; плотность
частиц рч> кг/м3; требуемая эффективность очистки газа ц.
Конструкцию и режимные параметры циклона рассчитывают методом
последовательных приближений по методикам [3-5] или используя более
современный математический аппарат [6].
64
5.2. Пористые фильтры
Для очистки запыленных газов все большее распространение получает на
последних ступенях сухая очистка рукавными фильтрами. Степень очистки газов
в них при соблюдении правил технической эксплуатации достигает 99,9%.
Классификация рукавных фильтров возможна по с л е д у ю щ и м п р и знакам:
- форме фильтровальных элементов (рукавные, плоские, клиновые и др.) и
наличию в них опорных устройств (каркасные, рамные);
- месту расположения вентилятора относительно фильтра (всасывающие,
работающие под разрежением, и нагнетательные, работающие под давлением);
- способу регенерации ткани (встряхиваемые, с обратной продувкой, с
импульсной продувкой и др.);
- наличию и форме корпуса для размещения ткани - прямоугольные,
цилиндрические, открытые (бескамерные);
- числу секций в установке (однокамерные и многокамерные);
- виду используемой ткани (например, стеклотканевые).
В качестве фильтровальных материалов применяют ткани из природных
волокон (хлопчатобумажные и шерстяные), ткани из синтетических волокон
(нитроновые, лавсановые, полипропиленовые и др.), а также стеклоткани.
Наиболее распространены лавсан, терилен, дакрон, нитрон, орлон, оксалон,
сульфон. Последние два материала представляют полиамидную группу
волокон, обладающих термостойкостью при температуре 250-280 °С. Для
фильтровальных тканей наиболее характерно саржевое переплетение.
Применяют также нетканые материалы - фетры, изготовленные свойлачиванием шерсти и синтетических волокон.
Рассмотрим подробнее группу материалов из нетканых иглопробивных
фильтровальных полотен, наиболее перспективных в производстве порошковых
материалов. Таллинской фирмой «Мистра» предлагаются полотна марок
«Фильтра-220», «Фильтра-330», «Фильтра-550» для использования их в
аспирационных или вакуумных рукавах и карманных (мешочных) фильтрах
очистки газов, пылеулавливания технологических продуктов, а также в системах
вентиляции.
Нетканые иглопробивные полотна характеризуются следующими показателями (т а б л . 5.1):
Таблица 5.1
Наименование
«Фильтра-550»
«Фильтра-330»
Технические показатели
фильтровальных
полотен
Поверхностная плотность, г/м2
550±28
330±17
Ширина, см
Толщина, мм
65
150±3
2±0,3
145±3
1,3±0,2
Продолжение таблицы 5.1
Наименование
«Фильтра-550»
«Фильтра-330»
Воздухопроницаемость, дм3/(м2
с),
при перепаде давления 50 Па
Разрывная нагрузка, Н, не менее
по длине
по ширине
Удлинение при разрыве, %
по длине
по ширине
Нормированная влажность, %
150±50
250±50
1000
400
80
90
80
90
1
1
Промышленные испытания материала «Фильтра-550» в производстве
сепарированного мела показали степень очистки 99,9% при улавливании пыли,
75% которой составляет фракция с диаметром частиц 1-5 мкм.
Срок службы фильтровального материала не менее одного года. Верхний
предел рабочих температур составляет 140-150 °С.
В «Мистре» создано и более термостойкое полотно, используемое при
температуре до 210-220 °С. В зависимости от вида ткани допустимая удельная
газовая нагрузка составляет 0,6-1,2 м3/(м2хмин) для хлопчатобумажной или
шерстяной; 0,5-1 - для синтетической; 0,3-0,9 м /(м2хмин) - для стеклоткани.
Нагнетательный рукавный фильтр работает следующим образом. Воздух
под давлением поступает в верхнюю распределительную коробку и затем в
матерчатые вертикальные рукава. Пройдя через рукава и оставив на их
внутренней поверхности пыль, очищенный воздух выходит в атмосферу
(помещение). Подвижная рама с проволочной сеткой при подъеме и опускании
сжимает рукава в поперечном сечении, благодаря чему пыль сбрасывается в
пылесборник и удаляется винтовым конвейером. Недостатком таких фильтров
является неудовлетворительная очистка фильтрующей ткани, в результате чего
значительно возрастает сопротивление фильтра и снижается его КПД.
Наибольшее распространение получил всасывающий рукавный фильтр,
который состоит из ряда рукавов, заключенных в герметически закрытый корпус.
Подлежащий очистке воздух подается через нижнюю приемную коробку в
рукава, заглушенные сверху, проникает сквозь ткань рукавов и удаляется из
корпуса через канал. Рукава фильтра очищаются от пыли с помощью
специального встряхивающего механизма. Недостатком всасывающих
фильтров является значительный подсос воздуха через неплотности (10-15% от
объема поступающего на очистку воздуха).
Разработка и промышленное изготовление дешевых фильтровальных
тканей, обладающих высокой эффективностью при достаточной механической
прочности и стойкости в кислых и щелочных средах, например, при химическом
полировании хрусталя, открывают пути для более широкого их
66
применения. Так, фильтрующий материал «Бекинокс» (Великобритания)
изготавливают как в виде штапеля, так и в виде длинных нитей различного
диаметра из нержавеющей стали. Этот материал при скорости фильтрации 180
м3/(м2хч) имеет сопротивление 1200 Па и ту же эффективность, что и
текстильные ткани. Он обладает высокой абразивной устойчивостью, температуростойкостью (до 500 °С), регенерируется любым известным способом и
хорошо зарекомендовал себя при фильтрации газов, содержащих S02.
Во Франции при очистке отходящих газов с температурой 400-500 °С
применяют рукавные фильтры из металлического фетра, основа которого
представляет собой металлическую сетку, нарощенную слоем тонкой металлической нити определенной толщины и плотности. По скорости фильтрации,
аэродинамическому сопротивлению, количеству потребляемой энергии фильтр
идентичен рукавному фильтру из полиэфирного волокна.
Для случая, когда высокая фильтрующая способность должна сочетаться с
высокой теплостойкостью и стойкостью к агрессивной химической среде, фирма
«Дюпон» (США) предлагает три вида материалов (войлок и ткани) для
фильтрации сухих частиц: номекс (арамидное волокно), тефлон (фторуглерод) и
тефэр-войлок, выполненный из смеси тефлона (85%) со стекловолокном (15%).
Эти материалы выдерживают рабочую температуру 100-250 °С.
Небольшое количество тонких стеклянных волокон в тефлоне уменьшает его
пористость и повышает улавливающую способность. Тефлоновые волокна,
стойкие к истиранию, в свою очередь защищают стекловолокно от механических
повреждений. Высокие эксплуатационные характеристики материала тефэр
объясняются противоположными трибоэлектрическими свойствами обоих
волокон смеси, которые создают электростатические заряды в ходе работы. Это
способствует высокой эффективности улавливания войлоком субмикронных
частиц. Однако, по данным фирмы, если фтористоводородная кислота,
например, при химическом полировании хрусталя полностью не нейтрализуется,
то в дымовых газах рекомендуется пользоваться 100%-ным тефлоном.
Отечественной промышленностью в настоящее время разработаны
с л е д у ю щ и е т к а н е в ы е фильтры [4]:
а) с импульсной продувкой каждого каркасного рукава (ФРКИ и др.). Регенерация осуществляется под действием импульсов сжатого воздуха и без
отключения секций;
б) с комбинированным устройством регенерации - механическим встряхиванием и обратной посекционной продувкой (ФРУ и др.)
в) с обратной посекционной продувкой (ФР и др.)
г) с регенерацией механическим встряхиванием (ФР-6П и др.). Ре генерация
рукавов осуществляется вручную или с помощью электромеханического
устройства.
В справочнике [7] подробно рассмотрены фильтры общепромышленного
назначения, серийно выпускаемые специализированным заводами. Преимущественное развитие получили фильтры ФРКИ и ФРИ ( р и с . 5.4). Скорость
фильтрования в этих аппаратах на 20-30% выше, чем в фильтрах с
механической регенерацией и обратной продувкой. При эффективной регенерации (короткими импульсами длительностью 0,1-0,2 с) общий срок
67
Технические характеристики рукавных фильтров
службы рукавов в этих фильтрах более высокий, рукава меньше изнашиваются. Гидравлическое сопротивление обычно поддерживается на уровне
1000-1500 Па. У с л о в н о е о б о з н а ч е н и е типоразмера фильтра: Ф- фильтр;
Р - рукавный; К - каркасный; И - с импульсной продувкой; цифра после
буквенных обозначений - активная поверхность фильтрации.
68
Р и с . 5.4. Фильтр ФРКИ (ФРИ):
1 - бункер, 2 - корпус; 3 - диффузор-сопло; 4 - крышка; 5 - труба раздающая, б - секция клапанов; 7 - коллектор сжатого воздуха, 8 - секция
рукавов
В процессе фильтрации запыленный газ проходит через ткань закрытых
снизу рукавов внутрь, выходит через верхний коллектор и удаляется из
аппарата. Каждый рукав в фильтре натянут на жесткий каркас и закреплен на
верхней решетке. В качестве фильтрующего материала используют лавсан и
фетр. В табл. 5.2 приведены основные технические характеристики фильтров
рукавных каркасных с импульсной продувкой (ФРКИ).
Таблица 5.2
Показатели
Поверхность
фильтрации, м2
69
ФРКИ-30
ФРКИ-60
ФРКИ-90
ФРКИ-180
ФРКИ-360
30
60
90
180
360
Продолжение таблицы 5.2
Показатели
ФРКИ-30
ФРКИ-60
ФРКИ-90
ФРКИ-180
ФРКИ-360
Число рукавов
36
72
108
144
288
высота рукава,
2
2
2
3
2
12
18
24
48
2
3
4
8
20
30
60
120
4140х2060х
х3620
2500
5480х2060х
х4620
5500
5850х4370х
х4880
10500
м
6
Число электромагнитных клапанов
1
Число секций
10
Наибольший
расход
сжатого
3
воздуха, м /ч
Габаритные
1458х2060х
размеры, мм
х3620
1300
Масса, кг
2820х2060х
х3620
2500
Примечание. Диаметр рукава 130 мм, гидравлическое сопротивление 1,2
кПа, давление продувочного воздуха 0,3-0,6 МПа, рабочее давление (разрежение)
в аппарате до 5 кПа.
Расчет рукавных тканевых фильтров сводится к определению общей
поверхности фильтрации F и числа фильтров или секций. Нормальная нагрузка на 1 м фильтрующей поверхности для рукавных фильтров составляет 150-200 м 1ч. Сопротивление фильтров определяют по
формуле:
(5.2)
Рф-BQJ,
где В - коэффициент, равный 0,13-0,15 (большее значение принимается для
более дисперсной пыли); QB - расход воздуха на 1 м2 ткани рукавов, м3/ч; п принимается равным 1,2-1,3 (меньшее значение принимается для более
дисперсной пыли).
При работе в нормальном режиме сопротивление нагнетательных
фильтров составляет до 2 кПа, всасывающих-до 6 кПа. Общую поверхность
фильтрации (м2) определяют по формуле:
V + V,
F - ^раб + Fper Цф
пр
+ F,per ,
(5.3)
где Рраб - поверхность фильтрации в одновременно работающих секциях,
м ; Fpee - поверхность фильтрации в регенерируемой секции, м2; V - объемный расход очищаемых газов (воздуха) с учетом подсоса воздуха в
70
фильтр, м3/мин; Vnp - объемный расход продувочного воздуха, м3/мин; с/ф удельная газовая нагрузка, м3/(м хмин).
71
Число необходимых фильтров или секций
n = F/Flt
(5.4)
где F1 - поверхность фильтрации всех рукавов, установленных в одном
фильтре или секции, м2.
Гидравлическое сопротивление тканевого фильтра АР, Па (уточненное
значение), в любой момент времени (t, с) от включения фильтра в работу
определяют по формуле:
817дфЦг(1- Е п ) f581x104(1-en)d°;23 , СБхдф1
др
н2 3
атеп
в?'24
(5-5)
Рп
где \ir - динамический коэффициент вязкости газа, Пахе; еп - пористость слоя
пыли; dm - средний размер частиц пыли, м; ет- пористость ткани; С0Х - начальная
запыленность газа, кг/м3; рп - плотность пыли, кг/м3.
Периоды работы фильтра между регенерацией, встряхиванием или продувкой ориентировочно определяют в зависимости от входной запыленности
газов:
Входная запыленность, г/м3
Периоды между регенерацией, мин
5
10-12
10
8-9
20
4-7
Пылеулавливание в цехах подготовки и переработки порошковых материалов является технической проблемой. Например, все звенья погрузочно-разгрузочных работ - потенциальные источники пыления, интенсивность
которых зависит от технического уровня используемого оборудования и
технологии перегрузки сыпучих и кусковых материалов. Наиболее полно
задачи борьбы с образованием пыли и ее улавливанием решены для
конвейерных линий и некоторых видов перерабатывающего оборудования [1].
В настоящее время для очистки таких отходящих газов от пыли применяют
одноступенчатую очистку в циклонах ЦН-15, ЦН-11 или двухступенчатую с
использованием дополнительного циклона-промывателя типа СИОТ или
ЛИОТ. Однако они не обеспечивают требуемой степени очистки газов, что
связано с зарастанием воздухопроводов в местах отделения сухого газа от
пыли и газа от капель воды. Поэтому дополнительно используют пылеулавливающие установки, включающие сухие инерционные пылеуловители
(циклоны групповые и батарейные), пористые фильтры (ленточные, рамные,
рукавные со струйной импульсной и обратной продувкой, зернистые и др.).
72
Конструкция зернистого фильтра, представлена на р и с . 5.5. Фильтр
имеет корпус 1, фильтрующие элементы 4, бункер 5, систему импульсной
регенерации 3. Фильтрующий элемент содержит четыре пары вертикально
размещенных фильтрующих ячеек 2. Ячейка содержит наклонные
непроницаемые перегородки, верхние и нижние сетки. Между сетками
засыпаются частицы слоем 150 мм размером 3-5 мм дробленого материала из
магнезита, доломита, гравия и т.д. Перегородки и сетки образуют каналы
треугольного сечения, по которым очищенные газы через отверстия в боковине
проходят в короб. В каналах для прохода очищенного газа устанавливают
перфорированные трубки, служащие для циклической подачи сжатого воздуха
из коллектора. Фильтрующие ячейки разделены перегородками на три равные
части. При импульсной продувке нижние ячейки работают в режиме
фильтрации, а верхние - в режиме регенерации.
Р и с . 5.5. Зернистый фильтр
73
Наряду с очисткой пылегазовых потоков важной задачей является также
очистка и обезвреживание дымовых газов от продуктов сгорания топлива и
других газообразных альтерогенов.
С этой целью часто применяют метод адсорбции. В сухом способе очистки
дымовых газов фильтрация очищаемых выбросов происходит через
неподвижный (адсорберы периодического действия) или движущийся слой
твердого поглотителя - адсорбента (адсорберы непрерывного действия).
Наиболее распространены адсорберы периодического действия, в которых
период контактирования очищаемого газа с адсорбентом чередуется с
периодом его регенерации. Конструктивно адсорберы (рис. 5.6) выполняются в
виде вертикальных, горизонтальных либо кольцевых емкостей, заполненных
пористым адсорбентом. Выбор конструкции определяется скоростью газовой
смеси, размером частиц адсорбента, требуемой степенью очистки и рядом
других факторов. Вертикальные адсорберы применяют при небольших
объемах очищаемого газа, а горизонтальные и кольцевые при
производительности до десятков и сотен м3/ч.
Р и с . 5.6. Конструктивные схемы адсорберов: а - вертикальный; б -
горизонтальный; в - кольцевой; 1 - адсорбер; 2 - слой активированного угля; 3 центральная труба для подачи паровоздушной смеси при адсорбции, 4 барботер для подачи острого пара при десорбции; 5- труба для выхода
инертных по отношению к поглотителю газов при адсорбции, б - труба для
выхода пара при десорбции.
При проектировании или выборе конструкции адсорбера используют
следующие исходные данные: объемный расход очищаемого газа (м /с),
концентрацию удаляемой примеси (мг/м3) и давление отходящих газов (Па). В
результате
расчета
определяют
необходимую
массу
адсорбента,
74
конструктивные размеры, гидравлическое сопротивление аппарата и время
защитного действия адсорбера [8].
5.3. Электрофильтры
Метод электроосаждения (улавливания пыли в электрическом поле)
заключается в следующем. Частицы пыли (или капельки влаги) сначала
получают заряд от ионов газа, которые образуются в электрическом поле
высокого напряжения, а затем движутся к заземленному осадитель- ному
электрозаряду. Попав на заземленный уловитель, частицы прилипают и
разряжаются. Когда осадительный электрод обрастает слоем частиц, они
стряхиваются под воздействием вибрации и собираются в бункере. Схема
электрического осаждения пыли представлена на р и с . 5.7. [2].
Р и с . 5.7. Схема электрического осаждения
пыли: 1 - источник электропитания; 2 - коронирующий
электрод, 3 - осадительный электрод; 4 - ион газа, 5 частица пыли
Электрофильтры применяются там, где необходимо очищать очень
большие объемы газа и отсутствует опасность взрыва. Эти установки ( р и с .
5.8) используются для улавливания летучей золы на современных
электростанциях, для улавливания пыли в цементной промышленности, а
также в металлургии в мощных системах улавливания дыма, для пылеулавливания в системах кондиционирования воздуха и других смежных отраслях [4, 9].
75
Р и с . 5.8. Двухступенчатый электрофильтр горизонтального потока:
1 ~ комплект стряхивателей для высоковольтных и собирательных электродов, 2 -
отдельная сблокированная дверца смотрового люка; 3 - быстрооткрывающиеся панели
для извлечения проволочных электродов без отключения установки; 4 - распорные
стержни между осадительны- ми электродами; 5 - дырчатый распределительный экран; б станина, устанавливаемая непосредственно на опорных колоннах; 7 - сблокированное
высоковольтное оборудование для каждой электрической секции; 8- площадка для
размещения изоляторов и газонепроницаемых уплотнителей, 9 - скатная крыша; 10 клиновидные опоры для проволочных электродов; 11 - упруго закрепленные
собирательные электроды; 12 - пластинчатые и щитковые электроды; 13- упруго
закрепленная высоковольтная рама; 14 - люк смотрового прохода между ступенями.
5.4. Аппараты мокрого пылегазоулавливания
При очистке газов от частиц пыли и для переработки газообразных отходов
с целью извлечения из них полезных компонентов или их обезвреживания
успешно применяются методы и оборудование, основанные на принципах
мокрого пылеулавливания.
Целесообразно сочетание сухой и последующей мокрой очистки, которая в
свою очередь может сочетаться с адсорбционной доочисткой.
76
Развитая поверхность контакта фаз способствует увеличению эффективности пылеулавливания. В промышленности используют мокрые пылеуловители (промыватели) капельного, пленочного и барботажного типов.
Конструктивно аппараты могут быть полыми, тарельчатыми, механического
и ударно-инерционного действия (ротоклоны), а также скоростного типа
(трубы Вентури и другие инжекторы).
Необходимо стремиться к созданию мокрых промывателей с минимальным гидравлическим сопротивлением, работоспособных при низких расходах воды. Эффективность очистки пыли зависит от размеров улавливаемых
частиц и от других свойств пыли. Необходимость концентрирования системы
жидкость - твердое тело с возвратом очищенной воды на пылеулавливание,
накопление в орошаемой жидкости растворимых компонентов пыли
усложняет систему мокрого пылеулавливания.
В общем виде процесс улавливания пыли мокрым методом представляется как перенос твердой фазы из газовой среды в жидкую и удаление
последней из аппарата вместе с твердой фазой [2,3]. В зависимости от
формы контактирования фаз способы мокрой пылеочистки можно разделить
на: 1 - улавливание в объеме (слое) жидкости; 2 - улавливание пленками
жидкости; 3 - улавливание распыленной жидкостью в объеме газа ( р и с .
5.9).
77
Скрубберы (газопромыватели).
При объемно-жидкостном способе поток запыленного газа пропускают
через определенный объем жидкости. Для этой цели используют пенные
пылеуловители с провальными тарелками или тарельчатые скрубберы,
эффективность которых может достигать 90-95%. На р и с . 5.10 представлен
тарельчатый скруббер.
Улавливание пыли пленками жидкости характеризуется тем, что контакт
газа и жидкости происходит на границе двух сред без перемешивания. Захват
(собственно улавливание) твердых частиц тонкими пленками жидкости
происходит на поверхностях конструктивных элементов. К этой группе
устройств относятся скрубберы с насадкой, мокрые циклоны, ротоклоны и т.п.
На р и с . 5.11 показана схема пылеуловителя вентиляционного мокрого
(ПВМ).
78
Улавливание пыли распыленной жидкостью заключается в том, что
орошающая жидкость вводится в запыленный объем (поток) газа в распыленном или дисперсном виде. Распыление орошающей жидкости производится с помощью форсунок под давлением или за счет энергии самого потока
газа. Первый способ распыления используется в полых скрубберах
( р и с . 5.12), второй - в турбулентных промывателях и скрубберах Вентури
( р и с . 5.13).
79
Скрубберы Вентури (сочетание трубы с каплеуловителем центробежного типа) обеспечивают очистку газов от частиц пыли практически любого
дисперсного состава. В зависимости от физико-химических свойств улавливаемой пыли, состава и температуры газа выбирают режим работы скруббера Вентури. Скорость газа в горловине может быть 30-200 м/с, а удельное орошение 0,1-6 м3/м3. Эффективность очистки от пыли зависит от гидравлического сопротивления. Скрубберы Вентури эффективно работают
при допустимой запыленности очищаемых газов 30 г/м3, предельной температуре очищаемого газа 400 °С, удельном орошении 0,5-2,5 м3/м3 и гидравлическом сопротивлении 6-12 кПа.
Характеристика труб типа ГВПВ (газопромыватель Вентури
прямоточный высоконапорный) приведена в т а б л . 5.3. Конструкция часто
дополняется каплеуловителем циклонного типа (КЦТ), который
обеспечивает улавливание капель при содержании жидкости не более 1
м3/м3, температуре не выше 80°С, концентрации капельной влаги после
сепарации 70 мг/м3. Гидравлическое сопротивление 350 Па и
производительность КЦТ 1700-82500 м3/ч.
80
Типоразмер
Технические характеристики скруббера ВентуриТаблица 5.3
Объем газов на
выходе, м3/ч
Диаметр
горловины, мм
Расход
орошаемой
жидкости, м3/ч
Давление
жедкости перед
форсункой, кПа
ГВПВ-0,006
1700-3500
85
1,18-3,2
180-370
ГВПВ-0,03
ГВПВ-0,08
ГВПВ-0,140
9320-18900
23460-47600
41400-84000
200
320
420
6,5-13
16,8-45
28,8—46
60-250
80-570
130-320
Скрубберы Вентури типа СВ-Кк (комплект скруббер-сепаратор, один или
два) имеют с л е д у ю щ и е х а р а к т е р и с т и к и :
Объем очищаемых газов, м3/ч
50000-500000
Расход орошаемой жидкости, м3/ч
65-400
Температура очищаемых газов, °С
до 120
Концентрация взвешенных частиц, мг/м3 до 10000
Удельное орошение, м3/м3
0,5-3,5
Гидравлическое сопротивление, кПа 4-12
Созданы скрубберы центробежные, вертикальные, батарейные СЦВБ-20,
обеспечивающие производительность по газу 9000-20000 м3/ч при температуре не выше 60 °С, запыленности не более 10 г/м3 и гидравлическом
сопротивлении скрубберов 1,7 кПа.
Мокрую очистку газов с частицами 2-3 мкм можно проводить в скрубберах
центробежного типа СЦВП, в которых жидкость дробится непосредственно
запыленным газом. Шлам, оседающий в нижней части скруббера, выводится
эрлифтом в контейнер, а осветленная жидкость вновь возвращается в
скруббер. Производительность таких аппаратов 5000-20000 м /ч, допустимая
запыленность 2 г/м3, температура газов 80 °С, гидравлическое
сопротивление 2,4 кПа, расход воды на очистку 0,05 м3/м3.
Разработаны скрубберы ударно-инерционного типа с пылеуловителями
вентиляционными мокрыми. Производительность таких скрубберов 300040000 м3/ч. Запыленность газов 10 г/м3, гидравлическое сопротивление аппарата 0,8-2 кПа, расход воды 10-40 г на 1 м3 очищаемого воздуха.
Для химической очистки газов от соединений фтора с содержанием до 1
г/м3 можно рекомендовать скрубберы с шаровой подвижной насадкой и
полые. Очистку производят растворами гидроксида или карбоната натрия.
Эффективность очистки газов от пыли зависит от дисперсности, плотности, склонности к слипанию, сыпучести, абразивности, смачиваемости,
гигроскопичности, растворимости и др. Однако основным параметром при
выборе пылеуловителя является размер частиц. Необходимо знать дисперсный состав пыли, задаваемый в виде таблиц или интегральных кривых.
Гранулометрический состав большинства видов пыли подчиняется
нормально логарифмическому закону распределения частиц по размерам.
Степень очистки газов определяют по формуле:
81
мкм; dso - диаметр частиц пыли, улавливаемых в аппарате на 50%; lg аг стандартное отклонение в функции распределения частиц по размерам; lg ап
- стандартное отклонение в функции распределения фракционных коэффициентов очистки.
Интеграл Ф(х) табулирован. В.Н. Ужовым и др. составлена таблица для
определения значений Ф(х), соответствующих разным значениям х [10].
С достаточной точностью дисперсию (геометрическое стандартное отклонение) можно рассчитать по формуле:
где d16, d84 - диаметры частиц с содержанием фракций меньше 16 и 84%.
Для нахождения значений lg ал необходимо иметь опытные данные по
очистке в пылеуловителях определенной конструкции двух видов различной
пыли.
82
По номограмме (рис. 5.14) определяют эффективность улавливания пыли
в аппаратах мокрой очистки.
Номограмма построена для значений dm и d50 пыли стандартной плотности
рг = 1000 кг/м3. Пересчет значений dm и d50 от реальной плотности рг к
стандартной производят по формуле:
Установлена зависимость степени пылегазоочистки от энергозатрат
[10]:
где Кг _ удельная энергия соприкосновения, кДж/1000 м3 газов; b и к константы, определяемые из дисперсного состава пыли, позволяет рассчитать эффективность улавливания пыли. Вероятностно-энергетичес- кий
метод расчета мокрых пылеуловителей основан на обобщенной зависимости
полученной для стандартной плотности пыли рг = 1000 кг/м0 и вязкости газов
[Яг = 18x10"6 Па с.
Эта зависимость может быть использована для выбора способов очистки
и принципиальной конструкции скрубберов.
Пример. Дано: дисперсный состав пыли (dm и lg ог), плотность пыли рД
вязкость газов и требуемая эффективность пылеулавливания г\. Принимаем
ц = Ф(х) по таблицам и рассчитываем значение d50*.
Приводим d50 к стандартным условиям:
и рассчитываем значение Кг. Затем обращаемся к значениям Кг и lgaT1, по
которым выбирается тип скруббера:
83
Рекомендации к выбору типа скруббера
Тип скруббера
Зависимости
для
расчета величины
Кг
ig<*n
Полый
тРж
0,29
Насадочный
Тарельчатый
Ударно-инерционного
действия
Вентури
ЛРр
0,21
АРр
0,15
АРр
0,29
АРр+ Рж
0,29
Таблица 5.3
где т - удельное орошение, м3/м3; Рж - давление распыляемой жидкости, Па;
АРр - гидравлическое сопротивление в рабочей зоне скруббера, Па.
Если же необходимо оценить эффективность действующего скруббера,
то, зная дисперсный состав пыли, ее плотность и вязкость газов, имея гидравлические характеристики работы скруббера (ДРр, m и Рж), находим значение Кг и рассчитываем значение d50- Проводим корректировку до значения
d50*.
Далее с помощью приведенных выше зависимостей определяем х и
значение Ф(х) по таблицам, что соответствует значению эффективности
пылеулавливания в данном скруббере.
Для очистки или обезвреживания газообразных отходов или технологических газов с целью извлечения из них сопутствующих (полезных) газообразных компонентов широко используют метод абсорбции. Абсорбция
основана на непосредственном взаимодействии газов с жидкостями. Различают физическую абсорбцию, основанную на растворении газа в жидкости,
и хемосорбцию, в основе которой лежит химическая реакция между газом и
жидким поглотителем.
Абсорбционной очистке подвергают газообразные отходы, содержащие
один или несколько извлекаемых компонентов. В зависимости от используемого абсорбента (та б л . 5.5) и его селективности можно выделить либо
один компонент, либо последовательно несколько. В результате абсорбции
получают очищенный газ и насыщенный раствор, который должен быть легко
регенерируемым с целью извлечения из него полезных газов и возвращения
его на стадию абсорбции [2].
Таблица 5.5
Поглощаемые компоненты
Абсорбенты
Абсорбенты, применяемые для очистки отходящих газов
Оксиды азота N203, NOs
84
Вода, водные растворы и суспензии: NaOH, Na2C03,
NaHC03, КОН, К2С03, КНС03, Са(ОН)2, СаСОз, Мд(ОН)2,
МдСОз, Ва(ОН)2, BaC03) NH4HC03
Продолжение таблицы 5.5
Поглощаемые компоненты
Абсорбенты
Оксид азота N0
Растворы FeCI2, FeS04t Na2S203, NaHC03, Na2S03,
NaHS03
Диоксид серы S02
Вода, водные растворы: Na2S03 (18-25%-ные), NH4OH
(5-15%-ные), Ca(OH)2 Na2C03 (15-20%-ные), NaOH
(15-25%-ные), КОН, (NH4)2S03 (20-25%-ные), ZnS03, К2С03:
суспензии CaO, MgO, CaC03, ZnO, золы; ксилидин вода
в
соотношении
1:1,
диметиланилин
C6H3(CH3)2NH2
Водный раствор №2С0з+№эА804 (Na2HAs03); водный
раствор AS203 (8-10 r/n)+NH3 (1,2-1,5 г/л)+(ЫН4)зА803
(3,5-6 г/л); моноэтаноламин (10-15%-ный раствор);
растворы КэР04 (40-50%-ный раствор); растворы К3Р04
(40-50%-ные), NH4OH, K2C03, CaCN2 натриевая соль
антрахинондисульфокислоты
Жидкий
азот;
медно-аммиачные
растворы
[Cu(NH3)]nx хСОСН
Водные растворы Na2C03, K2C03l NaOH, КОН, Са(ОН)2,
NH4OH, этаноламины RNH2, R2NH4
Растворы NaOH, КОН, Ca(OH)2l Na2C03, К2С03, МдСОз,
СаС03, Na2S203; тетрахлоридметан СС)4
Вода, растворы NaOH, КОН, Са(ОН)2, Na2C03l К2С03
Сероводород H2S
Оксид углерода СО
Диоксид углерода С02
Хлор С12
Хлористый водород HCI
Соединения фтора HF, SiF4
Na2C03, NaOH, Са(ОН)2
Требования, которым должна удовлетворять абсорбционная аппаратура,
вытекают из физического представления явлений массопереноса в системах
газ - жидкость. Так как процесс массопереноса протекает на поверхности
раздела фаз, то в конструкциях аппаратов необходимо ее максимально
развивать.
Для поверхностных абсорберов характерным является конструктивно
образованная поверхность, по которой в пленочном режиме стекает абсорбент (жидкость). Наиболее распространенной конструкцией таких противоточных абсорберов являются хорошо известные насадочные. В качестве
насадки применяют кольца Рашига, кольца Палля, седла Берля и другую
насадку. Насадочные аппараты сложны, так как необходимо создать
опорную решетку, оросители, обеспечить эффективное улавливание капель
абсорбента.
В распыливающих абсорберах межфазная поверхность образуется
мелкими каплями путем дробления, распыления жидкости. В объеме аппарата с помощью форсунок создаются капли, контактирующие с газовым потоком.
В механических абсорберах жидкость распыляется в результате подвода
извне механической энергии, например, вращения валков или специальных
распылителей. Эти конструкции достаточно сложны.
85
В поверхностных и распиливающих абсорберах сплошной фазой является
газ, а распределенной - жидкость. В барботажных абсорберах в сплошном
потоке жидкости распределяется газ, что достигается на так называемых
тарелках. Режим, в котором работают такие абсорберы, называют
барботажным.
При создании промышленных систем очистки газов абсорбционными
методами необходимо различать схемы с одно- и многократным использованием абсорбента. В последней схеме абсорбция сочетается с десорбционными процессами. Однократное использование абсорбента характерно для
процессов с низкой стоимостью поглотителя или когда после поглощения
образуется готовый (целевой) продукт. Так как в очищаемом газе содержится
незначительное количество улавливаемого компонента, то осуществляется
циркуляция абсорбента, но без его регенерации.
Расчет процессов абсорбции основывается на материальном балансе, из
которого определяют расходные параметры по абсорбенту и размеры
аппаратов. Объем очищаемого газа Gt известен, известна также и начальная
концентрация поглощаемого компонента в газовом потоке yi и в абсорбенте,
подаваемом на очистку, Xv Необходимо знать конечную концентрацию х2
абсорбента, то есть степень насыщения потока абсорбента L поглощаемым
компонентом. Тогда количество поглощаемого компонента GK определяют по
формуле:
Gk = G(y,-y2),
(5.13)
где у2 - концентрация компонента в отходящем газовом потоке.
Общее уравнение материального баланса имеет вид:
G(yi-y2) = L(x2-Xl).
(5.14)
Конечное содержание поглощаемого компонента у2 в газовом потоке
должно быть согласовано с равновесной концентрацией его в жидкости,
которую определяют по формуле:
1
х 2 « — у2,
m
(5.15)
где х2* - равновесная концентрация компонента в жидкости, отвечающая его
содержанию в газовой фазе у2; т - константа фазового равновесия (константа
Генри).
Определение эффективности реальных аппаратов должно быть основано
на кинетических закономерностях процессов массопередачи, что можно
записать через скорость растворения газа в жидкости за время через
поверхность контакта фаз F, м2:
Gk = dG/dr = KFA.
86
(5 16)
Каждая из независимых переменных (К - коэффициент массопередачи и А движущая сила процесса) зависит от многих параметров (технологических
режимов, конструкций аппаратов) и может измеряться в различных единицах.
Широко применяют выражение для коэффициента массопередачи Ks как
отношение его к площади поверхности контакта фаз или к площади насадки,
тарелки. Если при этом движущая сила выражена через А, кг/м3, то единица
измерения Ks - м/с.
Коэффициент массопередачи относят также к объему аппарата, получая
объемный коэффициент массопередачи Kv, с"1 или ч"1:
Kv = К х а,
(5.17)
где а - удельная поверхность контакта фаз.
Так как интенсивность переноса массы в газовой фазе (частный коэффициент массоотдачи рг) и в жидкой (частный коэффициент массоотдачи рж)
различна, то значение рг и рж определяют по разным зависимостям, и их
соотношение для различных процессов также различно. Тогда выражение
общего коэффициента массопередачи через частные имеет вид:
Кв=1/(1/рг+1/тр*).
(5.18)
Соотношение между 1/рг и 1/трж позволяет определить долю сопротивления
в газовой и жидкой фазе в зависимости от т, зависящей от абсорбента, степени
его насыщения, температуры и др.
Значения рг и рж находят по экспериментальным зависимостям, рекомендуемым для определенных конструкций массообменных аппаратов.
В случае прямолинейной равновесной зависимости и постоянства рг и рж по
высоте абсорбера количество переданной массы
G (У1-У2) = KSFA
(5.19)
или
^ Kj£ e N
(5 20)
AG
Последнее выражение называют числом единиц переноса. По аналогии с
записью коэффициентов массопередачи можно записать
N = Nr + т6Ыж/Ц
(5.21)
где Nr и Л/ж - число единиц переноса в газовой и жидкой фазах соответственно.
Число единиц переноса через объемные коэффициенты массопередачи
N = KvVan/G = KVSH/G,
(5.22) где Van - объем аппарата; S - площадь
поперечного сечения; Н - высота аппарата.
Тогда высота аппарата
87
Н = NG / KVS,
(5.23)
причем G/(KVS) отвечает высоте аппарата, для которого число единиц переноса равно единице и называется высотой единицы переноса.
Число единиц переноса N можно определить графически. Площадь, ограниченная кривой на таком графике, соответствует общему числу единиц
переноса, а угол ее наклона позволяет определить константы b и к, входящие в
формулу 5.9 [10].
Существенным недостатком сорбционных методов очистки (абсорбционных
и адсорбционных) выбросных газов является необходимость многократной
регенерации поглощающих растворов или частичной замены твердого
сорбента, что значительно усложняет технологическую схему, увеличивает
капитальные вложения и затраты на эксплуатацию.
5.5. Комбинированные методы и аппаратура очистки газов
Комбинированные методы и аппаратура очистки газов являются весьма
экономичными и наиболее высокоэффективными. Рассмотрим конструкции
аппаратов и технологическую схему очистки на примере очистки запыленного
воздуха и газов стекольного производства.
Для обеспыливания процессов сушки, измельчения, просеивания, смешивания и транспортирования сырьевых материалов разработан гидродинамический пылеуловитель ГДП-М (рис. 5.15) производительностью по
очищаемому воздуху от 3000 до 40000 м3/ч. Принцип работы аппарата основан
на барботаже запыленного воздуха (газа) через слой пены, образующейся на
газораспределительной решетке. Решетка при этом погружена в
пылесмачивающую жидкость. Запыленный газ поступает в подреше- точное
пространство и, вытеснив на решетку часть воды, образует на ней слой
высокотурбулентной пены. Пройдя через отверстия, газ очищается от пыли в
момент контакта с пылесмачивающей жидкостью. Очищенный газовый поток
поступает в центробежный каплеотделитель, а затем выбрасывается в
атмосферу. Пылеуловитель имеет с л е д у ю щ и е х а р а к т е
ристики :
Производительность, м3/ч
Удельная нагрузка по газу, м3/(м2хч)
Гидравлическое сопротивление, Па
Температура очищаемых газов, °С
Расход воды на очистку 1000 м3 газа, л
Установочный объем, м3
Масса, кг
3000-40000
6500
1400-1900
до 300
15-50
2,5
120
Аппарат ГДП-М максимальной эффективностью обладает на второй
ступени очистки (после циклонов) газов от мелкодисперсной пыли.
88
Рис.
5.15.
Гидродинамический
пылеуловитель ГДП-М: 1 - входной патрубок; 2
- газораспределительная решетка; 3 - корпус, 4 каплеотделитель; 5 - выходной патрубок; 6 регулятор подачи воды; 7 - разгрузочное
устройство.
Р и с . 5.16. Схема очистки технологических выбросов: 1 железнодорожный вагон; 2 - приемный бункер; 3 - щековая дробилка; 4 элеватор; 5 - сушильный барабан; 6 - дробинка; 7 - сито-бураг, 8 - ленточный
конвейер; 9 - отстойник; 10 - бункер сырья; 11 - весы; 12 - смеситель шихты; 13
- бункер шихты; 14 - кюбель; 15 - циклон ЦН-15; 16 - пылеуловитель ГДП-М.
89
Н а р и с . 5.16 показан один из вариантов принципиальной схемы комплексной очистки технологических выбросов составных цехов (дозировочно-смесительных отделений). Уловленная циклоном пыль возвращается
в расходный бункер соответствующего сырьевого материала. Шлам,
образующийся при работе мокрого пылеуловителя, отстаивается и
высушивается, после чего может использоваться как добавка к шихте после
соответствующей корректировки ее состава. Осветленная вода из
отстойника возвращается для повторного использования в пылеуловитель.
Показатели, характеризующие эффективность схемы очистки (содержание пыли в очищаемых газах снижается до нормируемых пределов), приведены в т а б л . 5.6.
Таблица 5.6
Эффективность комбинированной схемы очистки
Материал
Песок
Технологический Количество
очищаемого
процесс
воздуха,
м3/ч
Запыленность г/м3
на
входе
после
циклонов
ЦН-15
Степень очистки, %
на выходе циклоном
ЦН-15
пылеуловителем
гдп-м
Сушка
7000
30
6,5
0,036
78,3
99,38
Просеивание
2900
21,4
5,1
0,016
76,1
99,68
18,3
5,8
0,042
68,3
99,2
Дробление и 11200
сушка
Доломит
Просеивание
3600
21,9
4,8
0,018
78
99,6
Мел
Сушка
29530
14,9
3,9
0,066
73,8
98,3
Пневмотранс- 1900
портирование
5,6
2.5
0,023
55,4
99,08
Сушка
4000
21,8
6,1
0,023
71,9
99,62
Просеивание 2800
смесь
Сырьевые Транспортиро- 2500
компоненты вание и смешивание
22,8
4,3
0,014
81
99,67
30
3,6
0,012
88
99,66
Карбонат
натрия
Содосульфатная
Рекомендуемые режимные параметры и варианты комбинаций аппаратов для других схем очистки газов от различных пылей приведены в т а б л .
5,7.
90
Таблица 5.7
Режимные параметры и варианты комбинаций пылеулавливающих аппаратов
0
5
Объем
Характеристика по группам классификации
Рекомен
00
Материал
Обеслылеваемое
оборудование
Пресс- Распылипорошок тельные
сушилки
Вращающиеся
печи
Шамот
Шлак
Глина
отходящих
газов,
м3/ч
пылегазный поток
пыль
основная смачиваемость, слипаемость,
фракция, %
Ю2 Па (Н/м2)
Пылеуловитель
II
Вторая
группа
(1х1063,5x108)
2
Аппарат
мокрой
очистки
запыленность,
г/м3
температура,
600026000
7,2-16,1
120160
6775
<20 мкм Хорошо
72-96 смачиваемая, 94-98
1600030000
7,5-15,9
180230
4048
Третья
группа
(6x1095хЮ10)
2
Аппарат
сухой
очистки
1,1
1,55
>20 мкм Хорошо
и Неслипающаяся,
49-52 среднесмачиваеслабослимая, 50-86 пающаяся,
0-1,2
Неслипающаяся
7x109
1
То же
185-236
320
155225
Третья
группа
(1хЮ10)
Третья
группа
2
13,6- 15,0
<20 мкм Хорошо
54
смачиваемая, 97
>20 мкм Хорошо
52-72 смачиваемая, 92
Аппарат
мокрой
очистки
То же
4600
Шахтная
печь (разгрузка)
7000
Газоструйная
мельница
Сушиль35000ный
45000
барабан
точка
росы,
°С
дуемое
число
ступеней
очистки
4053
%
Неслипающаяся,
слабослипающаяся,
0-1,9
Слабослипающаяся,
0,95
Неслипающаяся
удельное
электрическое
сопротивление, Ом м
2
ступень
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Калыгин В Г., Попов Ю.П. Порошковые технологии: экологическая
безопасность и ресурсосбережение. М : Изд-во МГАХМ, 1996. 212 с.
2. Бондарева Т.И. Экология химических производств. М,: Изд-во МИХМ, 1986.
92 с.
3
Оборудование,
сооружения,
основы
проектирования
химико-технологических
процессов защиты биосферы от промышленных выбросов/А.И. Родионов, Ю.П.
Кузнецов, В.В. Зенков, Г.С. Соловьев. М.: Химия, 1985. 352 с.
4. Газоочистные аппараты сухого и мокрого типов. Каталог. М.:
ЦИНТИХИМНЕФ- ТЕМАШ, 1984. 92 с.
5. Руководящие указания по проектированию, изготовлению, монтажу и
эксплуатации циклонов НИИОГАЗ. Ярославль, 1971.
6. Степанов Г.Ю, Зицер И.М. Инерционные воздухоочистители. М.:
Машиностроение, 1986. 184 с.
7. Алиев Г.М.-А. Техника пылеулавливания и очистки промышленных газов
М.: Металлургия, 1986. 544 с.
8. Охрана окружающей средыIC.B. Белов, Ф.А. Барбинов, А.Ф. Козьяков и dp
М.: Высшая школа, 1991. 319 с.
9 Страус В. Промышленная очистка газов. М.: Химия, 1981. 616 с.
10. Ужов В.Н., Вальдберг АЮ., Мягков Б И. и др. Очистка промышленных
газов от пыли. М.: Химия, 1981. 392 с.
Лекция 6. ОЧИСТКА И ПОВТОРНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ
ТЕХНИЧЕСКОЙ ВОДЫ И ПРОМЫШЛЕННЫХ СТОКОВ
В процессах эксплуатации промышленного оборудования образуются
сточные воды, которые требуют специальной очистки перед сбросом в канализационные системы. Наиболее распространенными загрязняющими
веществами в поверхностных водах являются нефтепродукты, фенолы,
легкоокисляемые органические вещества, соединения меди, цинка, аммонийный и нитратный азот, лигнин, ксантогенаты, анилин, метилмеркаптан,
формальдегид и др. Например, сточные воды заводов черной и цветной
металлургии загрязнены большим количеством взвешенных минеральных
веществ, содержат цветные металлы и железо, сульфаты, хлориды, смолы
и масла, серную кислоту, железный купорос. Нефтеперерабатывающие
заводы и нефтепромыслы сбрасывают нефть и нефтепродукты, хлориды,
взвешенные вещества, возможно присутствие железа и сероводорода.
Большую опасность представляют сточные воды коксохимических
предприятий: смолы, масла, фенолы, аммиак, цианиды, роданиды,
большое количество солей неорганических кислот и взвешенных веществ.
К сильно загрязненным сточным водам, трудно поддающимся очистке,
относятся жидкие стоки целлюлозно-бумажных комбинатов: растворенные
органические вещества, волокно, каолин и др. Машиностроительные и
автомобильные заводы сбрасывают цианиды, хром, масла и окалину.
89
Основные загрязнители текстильных предприятий - красители и СПАВ [1,
2].
6.1. Условия приема промышленных сточных вод в канализацию
населенных мест
Сточные воды любого промышленного предприятия содержат специфические загрязнения, которые должны удаляться (нейтрализоваться) до
смешения со стоками другого производства или населенного пункта [2].
Имеющийся отечественный и зарубежный опыт свидетельствуют о
возможной реализации бессточных систем путем повторного использования очищенных сточных вод [3-9]. Значение повторного использования
очищенных сточных вод в системах промышленного водоснабжения в
полной мере зависит от конкретных местных условий, применяемых
технологий и определяется главным образом возможностью и
целесообразностью использования:
а) сточных вод в системах оборотного и повторного водоснабжения
предприятия или цехов;
б) очистных и обеззараженных хозяйственно-бытовых сточных вод в
техническом водоснабжении предприятий или цехов;
в) очищенных сточных вод одних предприятий для технического водоснабжения других предприятий или цехов.
В связи с этим разработаны «Правила приема производственных сточных вод в системы канализации населенных мест» (1991 г.), направленные
на предотвращение нарушений в работе очистных сооружений и безопасности их эксплуатации за счет правильной организации приема промышленных сточных вод в канализационную сеть населенных пунктов. Эти
«Правила...» разработаны на основе «Правил охраны поверхностных вод»
(1991 г.) для расчета допустимых концентраций загрязняющих веществ в
производственных сточных водах с учетом требований к качеству очищенных вод в конкретных местных условиях.
Существуют три основных вида очистных сооружений для сточных вод локальные, заводские, районные или городские.
Назначение локальных, или цеховых очистных сооружений
заключается, прежде всего, в обезвреживании сточных вод или извлечении
ценных компонентов непосредственно после технологических установок
или цехов. На локальных установках механической очистки, коагуляции,
электроосаждения, фильтрования, ультрафильтрации и др. очищают
сточные воды, которые нельзя направлять без предварительной очистки в
систему повторного и оборотного водоснабжения, на общие заводские либо
районные очистные сооружения.
Многие крупные предприятия располагают общезаводскими очистными
сооружениями, которые имеют установки для механической, физико-химической и биологической очистки.
Районные или городские очистные сооружения предназначены для
очистки хозяйственно-бытовых и промышленных сточных вод района. При
совместной очистке сточных вод в последних регламентируется содержание растворимых, взвешенных и всплывающих веществ, продуктов, спо-
90
собных разрушать или засорять коммуникации, взрывоопасных и горючих
веществ, а также температура.
Выбор метода очистки зависит от концентрации загрязнений в сточных
водах и количества твердых отходов, образующихся в основном
производстве и на стадии очистки, а также от эколого-экономических
показателей процесса.
По этим причинам сточные воды промышленных предприятий должны
подвергаться обязательной локальной очистке, основной целью которой
является:
- максимальное снижение потерь сырья со сточными водами;
- снижение потребления чистой воды;
- сокращение сброса сточных вод по объему и количеству загрязняющих веществ в водоемы;
- снижение объема внезаводских очистных сооружений и капитальных
вложений в их строительство.
6.2. Методы и оборудование для очистки технической воды
и промышленных стоков
При очистке сточных вод промышленных технологий применяют методы
фильтрования, осаждения, флотации, коагуляции, нейтрализации и др.
( р и с . 6.1). Перспективными являются методы, использующие процессы
мембранной
технологии,
электрокоагуляцию,
озонирование,
биологическую очистку.
Промышленные стоки
Ж
Очистка
суспензий и
эмульсий
ж.
Механическая очистка
от
примесей
Отстаивание
Центробежные
методы
Очистка от
мелкодисперсных и
коллоидных
частиц
Фильтрация
Флотация
Осветле
ние во
взвешен
ном
слое
осадка
91
Коагуляция ^
Очистка от
растворенных
примесей
Очистка от
минеральн
ых
примесей
Мембранные методы
Ионный
обмен
Электрические
методы
Электрические
методы
Реагентные методы
Очистка
от
органических
примесе
й
JL
Регенеративны
е методы
Адсорбция
Ионная
флотация
Устранение
Устранение
или
уничтожение
^ Захоронение
Термическое
сжигание
Деструктивные
методы
Биологические методы
Озонирование
Хлорирование
Электрохимическое
окисление
Р и с . 6.1. Классификация методов очистки промышленных
стоков
92
По содержанию примесей стоки р а з д е л я ю т н а г р у п п ы :
1) воды с нерастворимыми примесями частиц размером больше 10~510~4 мм;
2) воды, представляющие коллоидные растворы;
3) воды, содержащие растворимые органические и неорганические вещества;
4) воды, содержащие вещества, диссоциирующие на ионы. Способы
очистки промышленных стоков можно классифицировать по
составу фаз, дисперсному и химическому составу (табл. 6.1). Рассмотрим
основные из этих методов.
Таблица 6.1
Способы очистки сточных вод [9]
Физико-химические
свойства загрязняющего
вещества
Размер частиц
1,0
-1
тканевый
фильтр,
решетка-сито,
седиментация
центрифугирование
Плотность
Ионный заряд
Растворимость
Химическая
активность
Поверхностные
свойства
Температура кипения
флотаци
я
осажденны
е вещества
10-3
10-2
10-4
10
-6
10
10-7
Размер
частиц загрязняющего вещества,
мм
-5
10
диализСостояние частиц в
растворе
микрофильтр обратный осмос
ультрафильтрация коагуляция
ультрацентрифугирование обратный
осмос
электродиализ ионообмен
экстракция
реагентная
очистка осаждение
дистилляция концентрирование
неосаждисперсирастворимые
денные
онные
вещества
вещества коллоиды
Механические методы очистки промышленных стоков от грубодисперсных примесей включают отстаивание в гравитационном или центробежном
поле, фильтрацию, флотацию, осветление во взвешенном слое осадка.
Для очистки от мелкодисперсных (от 0,1-10 мкм) и коллоидных (0,001— 0,1
мкм) частиц, оседающих с малой скоростью, а также ПАВ используют
коагуляцию и флокуляцию, обеспечивающие слипание частиц до крупных
конгломератов, удаляемых затем механическим методом.
93
Для очистки от растворенных неорганических веществ применяют методы
выпаривания, обратного осмоса, химического осаждения, электродиализа,
нейтрализации.
94
Для очистки от растворенных органических веществ применяют биологическую очистку, адсорбцию, ионный обмен, отдувку газами, химическое
осаждение, озонирование и хлорирование, обратный осмос, электрохимические методы и др.
Сильно концентрированные стоки в ряде случаев целесообразно уничтожать сжиганием, санитарным захоронением.
6.2.1. Механические методы очистки сточных вод
Из существующих механических методов очистки промышленных стоков с
целью осветления воды наиболее простым является ее отстаивание.
При расчете отстойной аппаратуры определяющим параметром является
скорость осаждения твердых или жидких частиц Wo, зависящая от размеров
частиц d, плотности рт твердых частиц, их формы, плотности рсв и вязкости \хсв
сточной воды, скорости движения воды и, условий обтекания и сопротивления
среды. Скорость осаждения Шо для ламинарных, переходных и турбулентных
режимов определяют по формуле:
Re0= -------- * .
18 + 0,61л/Аг
(6.1)
где Re0 = co0dpB / цв - число Рейнольдса; Аг = cFpBg(pT - p ^ / [ i B - число Архимеда; рв, мв - соответственно плотность и вязкость чистой воды.
Вязкость и плотность таких систем могут меняться и с учетом объемной
концентрации С0 рассчитываются по формулам:
Ц с в = Ц в ( 1 + 2,5С0);
(6.2)
Рсв = РвЕ + Рт (1 - е);
(6.3)
е = Уж/(Уж + У т),
(6.4)
где е - объемная доля жидкой фазы; Уж и V T - объем соответственно жидкой и
твердой фазы.
Для реальных условий скорость стесненного осаждения монодисперсных
сферических частиц рассчитывают по формуле Стокса:
Шо = d2 g (рт - рв) R /18цв.
(6.5)
где R = РсвВ горизонтальных песколовках (прямоугольных резервуарах с прямолинейным движением воды) осаждение песка близко к осаждению частиц в
ламинарном режиме, и скорость его осаждения определяют по формуле
Стокса.
Длину песколовки определяют по формуле:
L = kHpU/шь,
95
(б.б)
где к - коэффициент, учитывающий турбулентность потока; Нр - расчетная
глубина песколовки, м; и - средняя скорость движения воды, м/с.
Коэффициент к определяют из уравнения:
к = соо/Vco0 - 0,5u .
(6.7)
Площадь зеркала воды F (м2), глубину Нр (м) и удельную нагрузку по воде
qQ (м3/м2-с) определяют из зависимостей:
F = Q/q0 = BL; Нр = Q/Bu; q0 = -0,43 шь/1д(1 - Э)р
(6.8)
где Q - расход воды, м3/сут; В - ширина песколовки, м; Э - эффективность
очистки.
Выход сточной воды происходит через водослив, размеры которого определяют по формулам:
P = (hmax-kfh mjn )/kf-1;
be = qmax/(mV2q^)(P + hmax)3/2
(6.9)
(6.10)
где Р - перепад уровней воды между дном песколовки и порогом водослива;
hmax, hmin - уровень воды, м при максимальном qmax и минимальном qmin расходах и и = 0,3 м/с; kq = qmaJqmin\ bc - ширина водослива, м; m = 0,35- 0,38 коэффициент расхода водослива.
Скорость движения воды при диаметре частиц 0,2-0,3 мм принимается и =
0,3 м/с, а время пребывания воды в песколовке 30 с.
Из песколовок с круговым движением воды наиболее эффективны аэрируемые песколовки.
Горизонтальные аэрируемые песколовки работают при и = 0,08-0,12 м/с,
В/Н = 1-1,5, общей глубине 0,7-3,5 м, гидравлической крупности песка
(скорость осаждения частицы в спокойной воде) coq = 18 мм/с, интенсивности
аэрации 3-5 м3/м2ч.
В песколовках с круговым движением воды объем аэрированной зоны
изменяется от 25,8 до 170 м3 при интенсивности аэрации 3,5 м3/м2ч.
Для увеличения скорости осаждения частиц примесей в промышленные
стоки вводят коагулянты и флокулянты, которые образуют неустойчивые
полидисперсные системы [2, 5, 8, 9].
Продолжительность отстаивания определяют по формуле:
T = т (H/h)n, (6.11) где Н - глубина проточной части отстойника; п коэффициент, учитывающий свойства взвешенных частиц (п = 0,25; 0,4; 0,6
для коагулянтов, мелкодисперсных минеральных и структурных тяжелых
веществ соответственно); h - высота эталонного цилиндра; т продолжительность осаждения.
Объем отстойной зоны V0 = QT, а поверхность осаждения F0 = Q/wq.
96
Гидравлическую крупность определяют по зависимости:
ЮОКН
Шо ---------------- (6.12)
ax(kH/h)
Л
T-W,
где к = 0,5; 0,35; 0,45 - коэффициент, характеризующий конструкцию отстойника соответственно для горизонтального, вертикального и радиального
типа, а - 0,66-1,5 - коэффициент, учитывающий влияние вязкости воды на
скорость осаждения при изменении температуры от 40 до 50 °С; совертикальная составляющая скорости движения воды в отстойнике; при изменении и от 5 до 20 мм/с величина w изменяется от 0 до 0,5 мм/с.
Расчет отстойников с учетом эффективности осветления проводится в
соответствии со стандартными методиками [3].
Коллоидные вещества, гидратированные взвеси, мелкодисперсные вещества вследствие их малой плотности (соизмеримой с водой) осаждаются
медленно. Даже ввод коагулянтов не обеспечивает заданной степени очистки
промышленных стоков.
С целью более глубокой очистки воды от таких примесей и ее осветления
используют флотацию.
Флотацию растворенным в воде воздухом обычно ведут совместно с
коагуляцией и флокуляцией взвеси для удаления коллоидных малоконцентрированных (меньше 1%) примесей.
Пузырьки воздуха размером 10-100 мкм, выделяющиеся из воды, пересыщенной растворенным в ней воздухом, захватывают взвесь частиц. Воздух
диспергируется турбиной - импеллером флоат-машины. Иногда воздух вводят
под избыточным давлением 0,03-0,2 МПа через сопла или фильтры.
Флотация осуществляется крупными (>1000 мкм) быстро всплывающими
пузырьками (при расходе воздуха 0,3-5 м3/м3 воды).
При электрофлотации очистку промышленных стоков осуществляют
кислородом и водородом, которые выделяются на электродах, размещаемых
в осветленной воде. Выделяющийся в ламинарном режиме газ с размером
пузырьков 50 мкм обеспечивает высокий эффект очистки.
Биологическая и химическая флотация (автофлотация) происходит в
результате взаимодействия пузырьков газа размером 5-50 мкм с поверхностью взвешенных в воде частиц, которые освобождаются от воды.
Наибольшую эффективность разделения достигают при соотношении
между твердой и газовой фазами, равном 0,01-0,1, и определяют по формуле:
97
G B03 /G 4 = 1,3Y*(fHP - 1)Qi / OA
(6.13)
где Geo3, G4 - соответственно масса воздуха и твердых частиц в
суспензии, г; У* - растворимость воздуха в воде при атмосферном давлении
рабочей температуре, см3 /дм3; fH = 0,5-0,8 - степень насыщения; Р - давление
насыщения воды воздухом, Па; Q* - количество воды, насыщенное воздухом,
м3/ч; Сч - концентрация твердой фазы в суспензии, г/см3; Q - расход сточной
воды, м3/ч.
На практике в сочетании с химической коагуляцией широко применяют
напорную флотацию, позволяющую обеспечивать осветление воды за 15- 40
мин со скоростью, в 4-5 раз превышающей скорость осаждения и при расходе
энергии 0,1-0,2 кВт ч/м3.
г j*s$
Р и с . 6.2. Схема установки для напорной
флотационной очистки воды
с рециркуляцией
Установка с рециркуляцией (рис. 6.2) работает следующим образом. Вода,
смешанная с коагулятором в смесителе 1, поступает в камеру 2
хлопьеобразования с лопастной мешалкой, где образуются крупные хлопья
коагулянта, сорбирующие коллоидные взвеси. Из камеры 2 коагулированная
вода со скоростью 0,2-0,5 м/с перетекает по трубе 3 в центральную камеру 4.
В трубу 3 врезан трубопровод, по которому со скоростью 1-2 м/с вводится
вода, пересыщенная воздухом. Часть воды, очищенная во флотаторе
насосом 7, подается под давлением в смеситель 9, куда компрессором 8
вводится сжатый воздух, и затем в сатуратор 10. В сатураторе за 1-3 мин
происходит насыщение воды воздухом и отделение нерастворившего- ся
воздуха. Насыщенная вода после снижения давления в дросселирующем
устройстве 11 становится пересыщенной и поступает во флотатор. Тонкий
слой пены (10-15 см) со взвесью собирается скребком 6 в приемный бункер 5.
Применяемые в отечественной и зарубежной практике сатураторы представлены на р и с. 6.3. Недостатком сатураторов (рис. 6.3 а, б) является
98
введение воздуха в насос, что снижает его производительность и КПД при
увеличенном кавитационном износе. Более эффективны сатураторы (рис.
6.3 в-ж), в которых воздух вводится после насоса. Для повышения эффективности используется насадочный сатуратор с кольцами Рашига, а также
распылительный и струйный сатураторы (рис. 6.3 г, е, ж).
Р и с . 6.3. Схемы сатураторов: а - барботажный, б - эрлифтный, в - механического
перемешивания, г - с кольцами Рашига, <3 - с зжекторной рециркуляцией воздуха, е распылительный; ж - струйный.
При расчете напорной флотации с сатурацией необходимо учитывать,
что выделение пузырьков газа из воды происходит на частице.
Эффективность флотационного выделения частиц определяют по
формуле:
где Ti - время пребывания жидкости во флотаторе; Т = Т^ + Т2; Т2 - время
обработки до флотатора; a - число столкновений пузырьков газа с частицами
на единице длины пути; Сг - объемная концентрация газовой фазы; vn скорость движения пузырьков; Н1 _ высота слоя жидкости во флотаторе.
Выделение примесей из сточных вод эффективно осуществляется под
действием центробежных и центростремительных сил в открытых и напорных гидроциклонах.
Открытые гидроциклоны применяют для выделения из суспензий частиц
диаметром более 1x10"5 см при очистке грубодиспергированных примесей.
Применяют конструкции гидроциклонов без внутренних устройств, с диафрагмой (рис. 6.4) и многоярусные (рис. 6.5).
99
Р и с . 6.4. Открытый гидроциклон с внутренним цилиндром и конической
диафрагмой Р и с .
6.5.
Многоярусный
низконапорный
сгидроциклон
Модифицированный
гидроциклон
конической диафрагмой и внутренним цилиндром (см. рис. 6.4) устраняет
накопление взвешенных частиц под диафрагмой и их периодический вынос с
осветленной водой.
Исходную суспензию подают тангенциально в нижнюю часть зоны, ограниченную внутренним цилиндром. Восходящий поток у верхней кромки цилиндра разделяется на основной поток, движущийся по спирали к центральному отверстию в диафрагме, и дополнительный, поступающий в зазор
между стенками гидроциклона и цилиндра. В дополнительном потоке
транспортируются выделившиеся в восходящем потоке взвешенные частицы.
В многоярусном гидроциклоне (см. рис. 6.5), состоящем из конической 1 и
цилиндрической 9 частей, рабочий объем разделен коническими диафрагмами 10 на отдельные ярусы (зоны), работающие независимо друг от
друга. В основе работы такого аппарата лежит принцип тонкослойного от
100
стаивания. Исходная смесь поступает в аванкамеры 3 с распределительными
лопатками 16 и равномерно распределяется между ярусами 12. Вывод воды
из аванкамер 3 осуществляется через три щели 11, расположенные по
окружности циклона через три щели 11, расположенные по окружности
циклона через 120° и равномерно по его высоте.
Поступающая сточная вода движется по нисходящей спирали к центру.
Частицы тяжелее воды оседают на нижних диафрагмах ярусов, сползают к
центру и, попав под шламозадерживающие козырьки 13, через кольцевую
щель 2 опускаются в коническую часть. Масло с примесями, выделившееся в
ярусах, всплывает к верхним диафрагмам 10, задерживается перегородкой 6
и попадает в водосборник, откуда маслосборными воронками 7 через трубы 4
удаляется из гидроциклона. Осветленная вода выводится через три
тангенциальных выпуска 14. В центральной части циклона жидкость
поднимается вверх, через водослив 5 переливается в лоток 8 и удаляется из
циклона. Осадок из конической части 1 удаляется через разгрузочное
отверстие 15 под действием гидростатического напора.
В общем случае при расчете гидроциклонов, применяя данные кинетики
отстаивания, рассчитывают гидродинамические параметры циклона и
определяют его геометрические характеристики. Для всех конструкций
удельную гидравлическую нагрузку определяют по формуле:
q = 3,6 ku0,
(6.15)
где к - коэффициент (к = 0,61; к = 1,98 для гидроциклонов без внутренних
устройств и с диафрагмой соответственно); и0 - гидравлическая крупность
задерживаемых частиц, мм/с.
Задавшись и0 по нагрузке q и назначаемому диаметру цилиндрической
части аппарата D, определяют его производительность
Q1 = 0,785qD2
(6.16)
Геометрические размеры циклонов выбирают по рекомендациям
[10]. Зная общее количество сточных вод Q06, определяют
гидроциклонов:
число
(6.17)
N = Qog/Qv
Для многоярусных циклонов гидравлическую нагрузку определяют по
уравнению:
(6.18)
где к - 1; с1цо - диаметр центрального отверстия в диафрагме, м; Ь - ширина
шламовыводящих щелей, м; А/я - число ярусов; ц = 0,75 - коэффициент
при нагрузке q = 2-2,5 м3/(м2хч).
101
При очистке сточных вод на установках с производительностью не более
200 м3/ч от частиц крупностью более 0,2-0,3 мм/с используют циклоны с
внутренним цилиндром и конической диафрагмой. Фактор разделения
определяется критерием Fr (отношение скоростей движения частицы под
действием центробежных сил к скорости осаждения в гравитационном поле):
Fr s vT2 /gr,
(6.19)
где v~i— скорость движения частицы под действием центробежных сил, м/с; д
- ускорение свободного падения, м/с2; г - радиус частицы, м.
Их характеристики благодаря высокой эффективности и компактности
позволяют использовать гидроциклоны вместо отстойников, центробежных
сепараторов, центрифуг, фильтров или в сочетании с ними.
Эффективность работы гидроциклонов определяют с л е д у ю щ и е ф а к торы:
седиментационные свойства примесей в сточной воде (гидравлическая
крупность отделяемых частиц);
размеры циклона (диаметр и геометрические соотношения между элементами аппарата);
производительность аппарата, зависящая от его размеров и перепада
давлений в нем (расходные характеристики);
затраты энергии на создание центробежного поля, зависящие от его
гидравлического сопротивления.
Для расчета гидроциклонов A.M. Кутеповым и Е.А. Непомнящим была
предложена стохастическая модель разделительных процессов. Введя ряд
предпосылок и используя числовые методы решения с применением ЭВМ,
были получены безразмерные параметры а, у, 9 и г0, характеризующие интенсивность центробежного поля, перемешивания частиц, геометрические
размеры аппарата и свойства разделяемых частиц при различном времени их
пребывания в аппарате.
Используя кривые зависимостей абсолютной величины уноса и количественного содержания отдельных фракций в осветленном и сгущенном потоках при различных значениях параметров конструкций гидроциклонов
( р и с . 6.6), можно рассчитать основные характеристики гидроциклона и характеристики разделения.
Например, для гидроциклона с винтовым входным устройством расчет
проводят в следующем порядке. Исходными данными для расчета являются
параметры суспензии, показатели разделения которого определяют из
следующих соотношений: Нц = (2-3)D; dB = (0,24-0,28)D; Dc = 0,3D; dn = 0,5dc; m
= 1; a = 5°; p берется минимальным.
102
Р и с . 6.6. Конструкции цилиндрического гидроциклона с винтовыми
вставками (а), цилиндрического прямоточного гидроциклона со
спиральными направляющими потока (б) и турбоциклона с вращающимся
конусом (в)
1. Задают диаметр D и по указанным соотношениям определяют остальные геометрические размеры. Общую производительность гидроциклона
Q0, производительность по осветленной жидкости и сгущенной суспензии
Qn/Qc определяют по формулам:
(6.20)
(6.21)
(6.22)
где У* - условный коэффициент расхода; dB - эквивалентный диаметр
винтового канала; dc - диаметр патрубка; Р0 - давление на входе в гидроциклон; О - диаметр гидроциклона; Нц - высота цилиндрической части; рс плотность жидкой фазы.
2. Определяют среднюю скорость суспензии на входе в аппарат и среднее
значение вертикальной скорости
W0 = Q0/FBX;
103
(6.23)
vzcp = HrQ0/vr,
(6.24)
где vr — радиальная составляющая скорости.
3. Рассчитывают значение безразмерных параметров X, Т и 9 и определяют унос твердых частиц Sc:
Sc =7,48(Т6/Х)0'28
(6.25)
4. Определяют унос твердых частиц со сгущенной суспензией, %
S n = 100-Sc.
(6.26)
5. Определяют концентрацию частиц в продуктах разделения (в осветленной жидкости и сгущенной суспензии), кг/м3:
Cg=QoxCoxSc/100xQc;
Cf, = Q0 х С0 х Sn /100 х Qn.
(О . £ ( )
Если расчетное значение С§ > С[>, то задаются новым значением D и
проводят новый расчет, пока не выполнится условие С£ s Сг0 .
6. Определяют количество гидроциклонов.
Обычно гидроциклоны устанавливают в комбинированной схеме очистки
жидкостей, когда другие методы дороги или нецелесообразны, например,
улавливание пыли свинцового сурика в системе вакуумного транспортирования и пылеулавливания.
6.2.2. Химические и физико-химические методы очистки сточных
вод
Сточные воды, содержащие минеральные кислоты или щелочи, подвергают нейтрализации. Нейтрализацию проводят для предупреждения коррозии
материалов очистных сооружений, выделения солей металлов из сточных вод
и предупреждения нарушения биохимических процессов в них.
Нейтрализацию осуществляют: смешением кислых и щелочных сточных
вод, добавлением реагентов, фильтрованием кислых вод через нейтрализующие материалы и абсорбцией кислых газов щелочными водами или абсорбцией аммиака кислыми водами.
Для очистки кислых и щелочных сточных вод используют процесс нейтрализации с применением таких реагентов, как оксиды кальция, гидрокси- ды
натрия, калия и кальция, а также карбонаты кальция, магния и натрия.
Массовый расход реагентов, кг/ч для нейтрализации сточных вод определяют по формуле:
104
G = k3QpC x ax100/B,
(6.28)
где k3 - коэффициент запаса; Qp - расход реагента, м3/ч; С концентрация кислоты или щелочи, кг/м3; а - удельный расход реагента, кг/кг;
В - количество активной части в товарном продукте, %.
Теоретический расход реагентов составляет 0,4-2,5 кг/кг. Время взаимодействия сточных вод и реагента превышает 5 мин, для кислых стоков с
ионами металлов - 30 мин.
Очистка сточных вод окислителями. Наряду с традиционными окислителями, такими, как хлор и хлорсодержащие вещества (гипохлорит натрия,
диоксид хлора и др.), пиролизит, кислород воздуха в последние годы
применяют озон.
При проведении глубокой очистки воды с успехом применяют озонирование. Озонирование в ряде процессов может заменить коагуляцию с быстрым фильтрованием, адсорбцию на некоторых стадиях очистки сточных вод
и в сочетании с другими методами - биохимическую очистку.
Наиболее перспективным является применение озона для очистки воды от
синтетических поверхностно-активных веществ (СПАВ), от нефтепродуктов и
очистки сливных вод на стадиях выработки стеклоизделий.
Озонолиз представляет собой процесс фиксации озона на двойной или
тройной углеродной связи с последующим ее разрывом и образованием
озонидов, которые неустойчивы и быстро разлагаются.
Каталитическое воздействие озонирования состоит в росте окисляющей
способности кислорода, присутствующего в озонированном воздухе.
Совокупность всех форм окисляющего и дезинфицирующего действия
озона обеспечивает его применение на всех стадиях очистки сточных вод и
подготовки воды к использованию в процессе производства. При совместном
действии озонолиза и окисления радикалами удаляются коллоидные
вещества, токсичные микрозагрязнители, растворенные органические вещества.
В настоящее время наиболее эффективно используют инжекторные
(ИМТ-600) и роторные аппараты, напорные трубопроводы, змеевики.
Инжекторные и роторные аппараты дают равномерное смешение фаз,
высокие скорость реакции, степень очистки и более полное использование
озона.
При введении озона непосредственно в напорный трубопровод обеспечивается простота и компактность смесителя, уменьшение потерь озона и
высокий эффект очистки при отсутствии контактных камер. При озонировании
можно использовать змеевик, работающий следующим образом. Сточную
воду подают насосом через змеевик, в который с помощью инжектора также
вводят озоновоздушную смесь. После змеевика вода с большой скоростью
проходит трубу воздухоотделения и переливается через его верхнюю кромку,
освобождаясь от пузырьков воздуха. Эффективность использования озона в
змеевике возрастает до 80-90%, а скорость окисления вдвое больше по
сравнению с барботажными аппаратами. Эффективность
105
барботажных реакторов с насадочными колонками повышают в результате
использования элементов из керамических и металлокерамических труб с
размером пор 100 мкм.
Для интенсификации окисления применяют кавитирующий эффект,
который достигается в кавитационном аэраторе или в центробежной распылительной машине, а также при использовании ультразвуковой энергии.
Наибольшее окисление достигается в центробежной распылительной машине
(рис. 6.7), где интенсивность механических колебаний в зоне смешения
достигает 57 Вт/см2. Особенностью конструкции являются дискираспылители 1, установленные в камере смешения 4. При заданной частоте
вращения дисков-распылителей 42 м/с возникает кавитация. Обрабатываемая вода, подаваемая через патрубки 2, всасывается через полый вал 8,
диспергируется дисками, образуя на выходе из зазора между дисками тонкую
пленку. Обработанная вода выводится через патрубок 5. Пленка проходит
между стационарными направляющими 3, распыляется на капли и пузырьки,
которые смешиваются с озонированным воздухом, вводимым через боковые
патрубки. Озонированная вода 6 по трубопроводу 7 возвращается в цикл.
Р и с . 6.7. Центробежная
распылительная машина
Озонирование используют в основном для доочистки стоков после флотации, дезинфекции, флокуляции, фильтрации на песчаных фильтрах и
фильтров с активированным углем.
Мембранная очистка сточных вод. К основным мембранным методам
разделения жидких систем относятся обратный осмос, ультрафильтрация,
микрофильтрация, электродиализ. Преимущества этих методов заключаются
в возможности ведения процесса при нормальной температуре (кроме
процесса испарения через мембрану) без фазовых превращений и при
меньших энергетических затратах, чем в других методах очистки, простоте
106
оформления аппаратуры, высокой степени разделения, позволяющей увеличить выход готового продукта.
Процессы обратного осмоса, ультрафильтрации и микрофильтрации
ведут под избыточным давлением и относят их к группе баромембранных
процессов, в которых перенос молекул или ионов растворенных веществ
происходит через полупроницаемую перегородку (мембрану) под давлением,
превышающим осмотическое. Под осмосом понимается самопроизвольный
перенос (молекулярная диффузия) растворителя через мембрану.
Различие между обратным осмосом и ультрафильтрацией состоит в том,
что при ультрафильтрации разделяются низкоосмотические растворы
молекулярной массой больше 500, а при обратном осмосе разделяются
растворы низкомолекулярных веществ с высоким осмотическим давлением.
Движущая сила ультрафильтрации и обратного осмоса определяется
разностью рабочего давления Р и осмотического давлений разделяемого
раствора у поверхности мембраны П3: ДР = Р - П3, а с учетом осмотического
давления пермеата (фильтрата) П2
ЛР = Р-(П3 -П2) = Р-ДП.
(6.29)
Рабочее давление при обратном осмосе составляет 5-8 МПа.
Ультрафильтрацию применяют для разделения систем, где молекулярная
масса компонентов больше молекулярной массы растворителя, например,
для водных систем, в которых один из компонентов имеет молекулярную
массу выше 500. Осмотическое давление высокомолекулярных соединений
мало, что позволяет проводить ультрафильтрацию при невысоком давлении
(0,2-1 МПа). С помощью ультрафильтрации разделяют растворы
высокомолекулярных и низкомолекулярных соединений.
Процесс выделения из раствора коллоидных частиц размером 0,1-10 мкм
при давлении порядка десятых и сотых долей мегапаскалей относится к
микрофильтрации и занимает промежуточное положение.
В отличие от обычной фильтрации, при которой продукт в виде осадка
откладывается на поверхности мембраны, при обратном осмосе и ультрафильтрации образуются два раствора, один из которых обогащен растворенным веществом.
Баромембранные процессы позволяют разделить частицы по размерам,
мкм: обратный осмос - 0,0001-0,001, ультрафильтрация - 0,001-0,02 и
микрофильтрация - 0,02-10.
При деминерализации сточных вод и различных смесей используют
диализ и электродиализ,
Диализ является диффузионным процессом разделения веществ в результате их неодинаковой диффузии через мембрану. По существу диализ
является разновидностью ультрафильтрации.
Более широкое применение при обработке воды и растворов находит в
последние годы электродиализ. Электродиализные аппараты, использующие
биполярные и ионообменные мембраны, применяют для выделения
отдельных компонентов из сточных вод, регенерации и вторичного исполь-
107
зования фтористоводородной и азотной кислот, щелочей из травильных
растворов и из жидкостей после скрубберов для очистки газов, сульфата
натрия, серной кислоты и т.д.
Для очистки сточных вод применяют мембранную установку, включающую
наряду с мембраной и фильтр-держателем, образующими мембранный
модуль, емкости, насосы, контрольно-измерительную аппаратуру и системы
очистки мембран.
При выборе и разработке мембранных установок необходимо учитывать
следующие факторы: характер фильтруемой среды (жидкость или газ); выбор
целевого продукта: фильтрата или задержанных мембраной частиц;
минимальный размер выделяемых частиц и размер пор мембраны.
Выбор оптимального размера пор производят на основе данных по селективности мембран от размера пор при максимально возможной производительности; объем перерабатываемой жидкости (малый или большой
объем определяют сложность конструкции мембранного модуля); вид раствора (водный или неводный). В последнем случае агрессивность жидкой
среды требует применения мембран и опорных элементов, стойких к действию растворителя.
Установки должны отвечать р я д у т р е б о в а н и й .
1. Материалы разделительной системы должны работать под высоким
давлением и быть устойчивыми к коррозии.
2. Компактность установки, простота обслуживания и возможность быстрой разборки и сборки установки при ремонте и транспортировании.
3. Возможность периодического промывания установки для восстановления производительности мембран.
4. Возможность предотвращения отложения осадка на мембранах и
снижения влияния концентрированной поляризации. Для этого необходимо
обеспечить высокую скорость течения жидкости над мембраной и ее равномерное распределение по секциям и элементам мембранного модуля.
5. Возможность нагрева или охлаждения обрабатываемых жидкостей.
При создании мембранных модулей необходимо обеспечить их механическую прочность, герметичность и другие условия.
В настоящее время мембранные модули классифицируют по способу
укладки мембран, по типу корпусов (корпусные и бескорпусные), по условиям
демонтажа (разборные и неразборные), по положению мембранных
элементов (горизонтальные или вертикальные) и по режиму работы.
По способу укладки мембран используют разделительные элементы
четырех типов: 1) аппараты с плоскими мембранными элементами; 2) аппараты с трубчатыми элементами; 3) аппараты с элементами рулонного типа; 4)
аппараты с мембранами в виде полых волокон.
Пленочные мембраны входят в состав разделительного элемента и
размещаются на пористой опоре-дренаже с подложкой. Иногда подложка
108
играет роль опоры, и в этом случае мембраны размещаются с обеих сторон
подложки.
Аппараты с плоскими мембранными элементами выпускают корпусными и
бескорпусными, периферийными, с общим или отдельным из каждого
элемента выводом пермеата. Элементы выполняют круглыми (эллиптическими) и квадратными.
Пернсат
/
/
I I I I I !I
ft W
Р и с. 6.8. Аппарат с плоскорамными элементами
На р и с . 6.8 представлен аппарат с плоскими мембранными элементами
фирмы ДДС (Дания), работающий с растворами при давлении Р = 2 МПа, рН 14 и температуре до 100 °С. Аппарат представляет собой пакет мембранных
элементов 9 эллиптической формы, находящийся между круглыми фланцами
11. Соосность элементов и их затяжка обеспечиваются направляющими
штангами 8. Элементы состоят из пластин 7, покрытых с обеих сторон
мембранами 6. Отверстия в пластинах и мембранах точно совмещаются и
герметизируются со стороны входа разделяемого раствора в отверстие 10
проточным кольцом 5 и со стороны выхода из него - замковым кольцом 4. В
проточных кольцах 5 выполнены прорези в радиальном направлении,
обеспечивающие подачу раствора из отверстия одного элемента в
межмембранный канал и отвод в другое отверстие следующего элемента.
Для распределения разделяемого раствора по секциям одно из отверстий на
соответствующих элементах перекрывают заглушкой 1. Пер- меат отбирается
из мембранных элементов по гибким капиллярным шлангам 2 и собирается в
109
общий коллектор 3. Опорная пластина выполнена в
110
виде двух склеенных пластмассовых дисков с разветвленной сетью внутренних каналов разного сечения для сбора пермеата. Недостатками аппаратов с эллиптическими элементами являются нерациональный раскрой
мембран, опорных пластин, конструктивная и монтажная сложность.
В конструкции РХТУ им. Д.И. Менделеева использован секционный модульный метод сборки: секции соединены параллельно, а элементы внутри
секций - последовательно. Аппараты имеют с л е д у ю щ и е х а р а к
теристики:
Рабочая поверхность мембран, м2
2
80
Производительность по фильтрату, м3/сут.
0,5
20
Рабочее давление, МПа
10
10
Плотность укладки мембран, м 2/м3
180
270
Рабочий диаметр мембран, мм
250
370
Число мембран
50
750
Габаритные размеры, мм350x350x300 600x1000x1200
Масса с водой, кг
50
1000
Аппараты с трубчатыми мембранными элементами можно использовать
для разделения систем (сред) со взвешенными частицами, где не требуется
высокая степень предварительной очистки разделяемых систем.
По конструкциям и способам изготовления элементы делят на три типа: 1)
с подачей разделяемых сред внутрь трубки; 2) с подачей разделяемых сред
снаружи трубки; 3) с подачей разделяемых сред одновременно внутрь и
снаружи трубки.
Основными достоинствами трубчатых мембранных элементов являются
низкое гидравлическое сопротивление, равномерное движение потока
раствора над мембраной с высокой скоростью, отсутствие застойных зон,
возможность механической очистки мембранных элементов от осадка без
разборки аппарата, малая металлоемкость при бескорпусном выполнении,
компактность установки.
К недостаткам устройств относятся малая удельная поверхность мембран
(60-200 м2/м ) и повышенная точность при изготовлении дренажного каркаса.
Каркасом обычно являются перфорированные металлические трубки,
пористые трубки из керамических, металлокерамических, пластмассовых и
графитовых композиций и стеклопластиков.
Конструкция блока стеклопластиковых каркасов из семи трубок представлена на р и с. 6.9. Для уменьшения расхода материалов наружная поверхность труб может быть выполнена в виде шестигранника. Это также
придает жесткость корпусу.
Аппараты с элементами рулонного типа (спиральные) имеют высокую
удельную поверхность (300-800 м2/м3), малую металлоемкость, удобны при
монтаже и демонтаже элементов. К недостаткам элементов можно отнести
высокое гидравлическое сопротивление межмембранных каналов и
сложность монтажа.
111
Р и с . 6.9. Варианты блочного размещения труб в
разделительных элементах:
а - блок стеклопластиковых каркасов; б - блок шестигранных
труб; 1 - мембрана; 2 - подложка; 3 - корпус.
Аппараты могут содержать мембранные элементы с несколькими пакетами и одной пермеатотводящей трубкой, совместно навитые рулонные
мембранные элементы и рулонные мембранные элементы с несколькими
пермеатотводящими трубками или с каналами для сбора пермеата.
В этих аппаратах пермеат поступает под давлением в напорный канал
элемента параллельно оси трубки.
Аппараты с мембранами в виде полых волокон благодаря развитой
удельной проницаемости и удельной поверхности (20-30 тыс. м2/м3) нашли
широкое применение при разделении сред обратным осмосом и ультрафильтрацией [5].
Полые волокна диаметром 45-900 мкм и толщиной стенки 10-50 мкм
применяют в обратном осмосе, а диаметром 200-2000 мкм и толщиной 50200 мкм - при ультрафильтрации.
В аппарате с параллельным расположением полых волокон (р и с. 6.10)
волокна собраны в один пучок спирально навитой нитью. Она же обеспечивает зазор между отдельными волокнами. Раствор может подаваться как
вдоль поверхности полых волокон, так и по капиллярным каналам этих волокон.
Р и с. 6.10. Аппарат с одним пучком параллельно расположенных полых волокон:
1 - корпус; 2 - сборник пермеата; 3 - трубная решетка, 4 - спиральная нить; 5 - волокно.
Недостатком таких аппаратов является малая интенсивность перемешивания раствора, жесткое крепление полых волокон в трубных решетках
112
и, следовательно, трудность обработки растворов, содержащих взвешенные
частицы.
При непрерывном процессе раствор проходит мембранный аппарат
только раз и выходит из установки с заданной концентрацией. Применяют
также схемы проточно-циркуляционного типа, где часть концентрата возвращается в исходный раствор, а остальная часть с требуемой концентрацией выводится из системы потребителю.
Из схем соединения модулей одноступенчатые соединения аппаратов
( р и с . 6.11) используют при разделении низкоконцентрированных растворов,
а многоступенчатые - при очистке более концентрированных растворов. В
этом случае исходным раствором для следующей ступени служит фильтрат
предыдущей ступени, которая работает при более низком давлении.
Р и с . 6.11. Схема соединения элементов аппаратов для
установок обратного осмоса: а - одноступенчатое разделение с
параллельными и параллельно-последовательными соединениями
аппаратов: 1, V- исходный раствор, 2, 2'~ концентрат; 3, 3 ' фильтрат
Используемые в модулях мембраны должны обладать высокой разделяющей способностью (селективностью), высокой удельной производительностью (проницаемостью), прочностью и химической стойкостью к
действию очищаемых сред. Из большого числа типов мембран можно выделить полимерные мембраны и мембраны с жесткой структурой.
К полимерным относятся мембраны из ароматических полиамидов
«Владипор» типа МГА-90, МГА-100 для обратного осмоса с солесодержа113
нием до 20 кг/м3, предназначенные для очистки сточных вод и промышленных
стоков. Мембраны типа УАМ-80, УАМ-500 используют для разделения
водомасляных эмульсий, пигментных красителей и др. методом ультрафильтрации.
Этилцеллюлозные мембраны типа УЭМ-200, УЭМ-500 предназначены для
концентрирования, разделения и очистки различных веществ в кислых и
особенно щелочных средах. Удельная производительность по воде 33- 300
см3/(м2хч), средний диаметр пор (2-4,5)х10 3 м.
Мембраны на основе ароматических полиамидов «Владипор» типа
МГМ-80, МГП-100 рекомендуются для разделения, концентрирования агрессивных сред с рН 1-12, содержащих большинство органических растворителей, и выдерживают в водных средах температуру до 150 °С.
К мембранам с жесткой структурой относятся металлические, из пористого
стекла, нанесенные и напыленные. Мембраны этого типа обладают высокой
химической стойкостью.
Для установок с мембранными аппаратами применяют технологический,
гидравлический и механический, а при использовании горячих растворов - и
тепловой расчеты. При технологическом расчете определяют необходимую
поверхность мембран, жидкостные потоки и их состав. При гидравлическом
расчете находят гидравлическое сопротивление аппаратов, трубопроводов и
арматуры [11, 12].
Расчет аппаратов обратного осмоса и ультрафильтрации проще выполнять на основе эмпирических корреляций (Ю.И. Дытнерский). Составляют
уравнения материального баланса по всему веществу и растворенному
компоненту, дифференциальные уравнения изменения состава пермеата и
проницаемости в произвольном сечении. Определив на лабораторных
ячейках с мешалкой ряд констант и используя их при решении системы
уравнений, рассчитывают выход концентрата и фильтрата, поверхность
мембраны и состав фильтрата при концентрировании.
Расчет обратноосмотических аппаратов с плоскими мембранными элементами предпочтительнее выполнять на основе математического моделирования. Расчет заключается в совместном решении уравнений материального баланса по раствору и растворенному веществу и уравнений энергетического баланса по раствору и пермеату с учетом концентрированной
поляризации и взаимного движения потоков.
Термическое сжигание. Термическое сжигание применяют для уничтожения высококонцентрированных сточных вод, содержащих минеральные
или органические элементы. По этому методу сточные воды вводят в печь
сжигания и испаряют при температуре 900-1000 °С. Органические примеси
сгорают до продуктов полного сгорания С02, Н20, N02.
Промышленные стоки, удельная теплота сгорания которых Qcr * 8,4
МДж/кг, сгорают, как жидкое топливо. При Qcr < 8,4 МДж/кг для сжигания
114
стоков требуется высококалорийное топливо. Теплоту сгорания сточных вод с
органическими загрязнениями рассчитывают по формуле:
Осг=1/РУсД
п
(6.30)
где С/ - концентрация /-го компонента в стоках, моль/дм3; р - плотность
сточной воды, кг/м3; Осг' - удельная теплота сгорания 1-го компонента,
кДж/моль.
При неизвестном составе сточных вод Qcr, МДж/кг определяют по формуле:
Qcr = 12,75 ХПК/р,
(6.31)
где ХПК-химическое потребление кислорода, г 02/дм3.
6.2.3. Биологический метод очистки сточных вод
В основе биологической очистки сточных вод от органических веществ
лежат три взаимосвязанных процесса: синтез протоплазмы клеток микроорганизмов, окисление органических загрязнений и окисление продуктов
метаболизма клеток. Для проведения таких процессов требуется участие
ферментов. Происходящее при этом аэробное окисление содержащегося в
органических веществах углерода до С02 и водорода до Н20 характеризуется
расходом кислорода, то есть биологическим потреблением кислорода
(ВПК).
Характеристикой глубины разложения примесей в водостоке является
биохимический показатель (БХП), равный отношению ВПК к ХПК.
Под ХПК в отличие от ВПК понимают количество кислорода, теоретически
необходимое для полного превращения органических веществ в С02, Н20, а
также в соль аммония и серную кислоту, если они содержат азот и серу.
Молекулярный кислород, входящий в состав молекул веществ, идет на
окисление этих веществ.
При биохимическом окислении органических веществ требуется меньше
кислорода, чем при химическом окислении с той же эффективностью очистки.
В биологических фильтрах сточные воды очищаются микроорганизмами
активного ила или биопленки, образующими биологически активную массу.
Производительность установки и количество избыточного ила на единицу
объема сточной воды оценивают по окислительной мощности г и приросту ила
(Пр).
Окислительную мощность рассчитывают по формуле:
115
Прирост ила (Пр) из-за сложного характера взаимоотношений бактерий
определяют по приближенной зависимости
где Сн - концентрация взвешенных веществ, поступающих в аэротенк, г/м3; Кэ
- экономический коэффициент; Am и AS - количество органических примесей,
удаленных в аэротенках, соответственно в массовых единицах и единицах
БПК, г/м3 и г БЛК/м3; У - удельный прирост ила, г/г БПК.
Очистка при БПК меньше 20 мг 02 /дм3 является полной, а больше 20 мг 02
/дм3 - неполной.
Анаэробные схемы применяют для очистки сточных вод концентрацией
6-20 г/дм3, для концентрирования минеральных солей 30 г/дм3 и для брожения осадков и избыточного ила.
Р и с . 6.12. Схема комбинированного метода очистки промышленных стоков
По анаэробной схеме (рис. 6.12) стоки, пройдя усреднитель 1, подаются в
анаэробный восстановитель 2, где взаимодействуют с анаэробным илом.
Затем смесь насосами 4 подается во флотатор 5, из которого иловая вода
вместе с бытовыми водами поступает в аэротенк 6, а пенный продукт - в
метантенк 3 на стабилизацию. Выходящая из аэротенка 6 смесь насосами 7
подается во флотатор 8, из которого аэробный активный ил возвращается на
вход схемы. Часть ила возвращается в аэротенк 6, а избыточная часть в
метантенк 3. Биологически очищенная вода доочищается на фильтрах 9 и 10,
116
после чего сбрасывается в водоем 12 или подается насосами на повторное
использование.
Стоки, очищаемые биологическими методами, должны отвечать с л е дующим требованиям:
1. Органические вещества, входящие в стоки, должны быть способны к
биохимическому окислению.
2. Их концентрация, выраженная через БПК, не должна превышать 500
мг/дм3 при очистке на биофильтрах и 1000 мг/дм3 - при очистке в аэротенках-смесителях.
3. Концентрация ядовитых органических и неорганических (соли меди,
свинца, хрома, ртути) веществ не должна превышать пределов, исключающих
жизнедеятельность бактерий.
4. Количество механических примесей не должно превышать 150 мг/дм3.
5. Водородный потенциал среды рН должен быть 6,5-8,5.
6. Сточные воды должны содержать биогенные элементы (азот, фосфор и
калий).
7. Общее количество растворенных солей должно быть не больше 10
г/дм3.
8. Стоки не должны содержать плавающих масел и смол.
9. Температура сточных вод - от 6-35 до 50-60 °С.
С учетом изложенного специалистами разработана типовая станция
биологической очистки сточных вод производительностью 10 тыс. м3/сут. Она
размещается на площади 11000 м2 вместо 75000 м2 (стандартная станция
очистки). Очистка ведется в аэротенках колонного типа с доочист- кой на
песчаных фильтрах с водовоздушной промывкой. Реагентное кондиционирование смеси сырого осадка, уплотненного избыточного ила и обезвоживание проводят на фильтр-прессах ФПАКМ-25Н производительностью по
сухому продукту 15 кг/м2ч и влажностью обезвоженного осадка 60%. Резервным оборудованием для обезвоживания осадка являются винтовые
центрифуги.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Протасов В.Ф., Молчанов А.В. Экология, здоровье и природопользование в
России. М.: Финансы и статистика, 1995. 528 с.
2. Афанасьева А.Ф., Сирота М.Н., Савельева Л.С. и др. Очистка хозяйственнобытовых сточных вод и обработка осадков. М.: Изограф, 1997. 96 с.
3. Оборудование,
сооружения,
основы
проектирования
химико-технологических процессов защиты биосферы от промышленных
выбросов/АИ. Родионов, /О.Л. Кузнецов, В.В. Зенков и др. М.: Химия, 1985. 352 с.
4. Стадницкий Г.В., Родионов AM. Экология. СПб.: Химия, 1996. 240 с.
5 Калыгин В.Г, Попов Ю.П. Порошковые технологии: экологическая безопасность и ресурсосбережение. М.: Изд-во МГАХМ, 1996. 212 с.
6. Мазур И.И., Молдаванов О.И., Шишов В.Н. Инженерная экология. В 2 т. М.:
Высшая школа, 1996. 637 е.; 655 с.
7. Экология, охрана природы и экологическая безопасность/Под ред. В. И. Данилова-Данильяна М.: Изд-во МНЭПУ, 1997. 744 с.
8 Берне Ф., Кордонье Ж. Водоочистка. Очистка сточных вод нефтепереработки.
Подготовка водных систем охлаждения. М.: Химия, 1997. 288 с.
117
9. Булатов М.А., Бондарева Т.И., Кутепов A.M. Химические производства с
замкнутым водооборотным циклом. М.: Изд-во МИХМ, 1991. 80 с.
10. Терновский И.Г., Кутепов A.M. Гидроциклонирование. М.: Наука, 1994. 350 с.
11. Дытнерский ЮМ. Обратный осмос и ультрафильтрация, М.: Химия, 1978.
351 с.
12. Дытнерский Ю.И, баромембранные процессы, теория и расчет. М.: Химия,
1986. 271 с.
Лекция 7. РЕКУПЕРАЦИЯ, ВТОРИЧНАЯ ПЕРЕРАБОТКА, ХРАНЕНИЕ И
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТВЕРДЫХ ОТХОДОВ. ОЦЕНКА ТЕХНОЛОГИЙ
Миллионы тонн промышленных отходов (с учетом твердых промышленных отходов ТПО) образуются в результате жизнедеятельности крупнейших
индустриальных центров России. К ним ежесуточно добавляются отходы
коммунально-городского хозяйства, включая твердые бытовые отходы.
Совокупный рост объемов ТПО и ТБО (ТПБО) составляет примерно 5% в год
[1]. С другой стороны, при развитии мощностей по переработке отходов
существенно возрастает потребность в площадках для новых установок. Уже
в настоящее время проблема размещения стала основным сдерживающим
моментом в развитии производств по переработке ТПБО. В большинстве
стран Европы и Северной Америки управление потоками ТПБО включает ряд
обязательных этапов. К их числу относятся: программы по снижению объемов
образования ТПБО, широкое внедрение их вторичного использования (с
формированием потребительских свойств), применение соответствующих
фракций ТПБО в качестве сырья для основных производственных процессов,
утилизация энергетического потенциала отходов, захоронение остатков
ТПБО, не обладающих никакими полезными свойствами на экологически
нейтральных полигонах.
Фактически формула обращения с ТПБО в развитых странах воплощает
принцип устойчивого развития и может быть кратко представлена с л е д у ю щ и м п е р е ч н е м операций [2]:
- редукция;
- вторичное использование;
- переработка;
- извлечение энергии;
- захоронение остатков.
Полнота осуществления данной формулы в различных странах определяется конкретными экологическими, сырьевыми, демографическими и
другими условиями. В целом европейскими странами принята в настоящее
время стратегия, в соответствии с которой возобновляемые источники
энергии, к числу которых относятся ТПБО, должны составлять в их энергобалансе 10-15% к 2010 году [3].
В РФ (на примере г. Москвы) создано московское государственное предприятие МГП «Промотходы». Основными направлениями деятельности МГП
являются:
- создание общегородской системы централизованного удаления и переработки всех видов отходов (кроме радиоактивных1) промышленных
118
предприятий, а также экологически опасных отходов и вторичных материальных ресурсов от объемов коммунального и жилого секторов г. Москвы;
- развитие системы экологического контроля, правового регулирования,
нормативно-методического и информационного обеспечения обращения с
отходами;
- координация работ, направленных на сокращение промышленных отходов города и др.
В связи с разнообразием веществ и материалов, подпадающих под категорию ТПБО, и различными технологиями и переработки до настоящего
времени не существует единого подхода к созданию типового (стандартного)
перерабатывающего завода. Сейчас стратегии управления ТПБО осуществляются посредством химико-технологических систем (ХТС) удаления
отходов, которые фактически являются инструментом их воплощения.
Структура такой ХТС является прямым отражением экономической и экологической политики государства.
Так, во многих регионах РФ, странах СНГ, части Восточной Европы и в
развивающихся странах реальные ХТС включают две основных системы источник ТПБО и свалку (рис. 7.1). В большинстве экологически развитых
стран ХТС удаления ТПБО включают спектр методов и производств,
позволяющих осуществлять индивидуальную переработку и обезвреживание
различных ингредиентов. Вместе с тем, все современные ХТС включают
полигоны захоронения ТБО, куда поступают непрореагировшие остатки от
переработки отходов (рис. 7.2).
Таким образом, при выборе методов и оборудования переработки твердых
отходов (промышленные пыли, остатки непрореагировавшего сырья,
побочные продукты, отходы основного производства, различные осадки,
шламы и др.) существенную роль играют их состав, количество, цена и
экологическая безопасность. В РФ вторичную переработку осуществляют по
четырем основным вариантам: обезвреживание, извлечение полезных
веществ, уничтожение и захоронение. Анализ соответствующих процессов
позволил сформировать основное требование к их разработке: технологический процесс должен потреблять минимальное количество реагентов и
энергозатрат, а продукт вторичной переработки должен обладать потребительской ценностью [4].
Радиационной безопасностью и отходами отрасли занимается московское
НПО «Радон».
2 Справка: себестоимости переработки ТПБО основными промышленными
методами, включающими механическую сепарацию, компостирование, сжигание и
захоронение, существенно различны. Так, стоимость сепарации и захоронения
ТПБО составляет первые десятки долларов за тонну, компостирование - 50-70$;
сжигание - 100-150$ [2].
1
119
и с. 7.2. Реальная ХТС переработки ТПБО в экономически развитых странах
120
7.1. Обезвреживание твердых отходов
Для обезвреживания твердых отходов часто применяют метод их капсулирования, заключающийся в обволакивании токсичного отхода инертной
пленкой, например, стеклообразной или полимерной. Используемый метод
переплавки отходов заключается в выжигании вредных компонентов, формировании новой структуры вторичных материальных ресурсов (BMP) и их потребительских свойств: размеров, цвета и т.п. Химические методы позволяют
получать из отходов новые продукты: твердые органические отходы путем
гидрирования превращают в жидкое и газообразное топливо. Использование
цемента для фиксации отходов является в настоящее время наиболее
распространенным методом. Технология применяется для отходов, содержащих воду, которая необходима для реакции цементирования. Недостаток метода - увеличение объема отходов и возможная деградация цемента при
низких значениях рН. Применяется для неорганических отходов, особенно
тяжелых металлов, а также радиоактивных веществ. Для фиксации с
использованием органических полимерных материалов готовится смесь
отходов с соответствующими смолами или мономерами, затем вводится
катализатор, обеспечивающий полимеризацию и создание объема
фиксированного материала. Обычно отходы не связываются химически с
полимером. Происходит микрообвалакивание органической оболочкой. Для
обработки отходов обычно используются формальдегидные, виниловые и
полиэстеровые соединения. Такой монолит обладает сопротивлением на
сжатие на уровне бетона. Недостаток метода - возможность появления
ядовитых паров в процессе полимеризации.
7.2. Извлечение ценных компонентов из BMP
Для извлечения ценных компонентов из BMP используют методы экстрагирования и кристаллизации. Экстрагирование - извлечение из твердого
вещества одного или нескольких компонентов с помощью растворителя. При
этом извлекаемые компоненты переходят из твердой фазы в растворитель
(экстрагент). Для последующего выделения целевого компонента из смеси с
экстрагентом применяют выпаривание или ректификацию. Используются
следующие основные типы экстракторов: смесительно-отстойные, колонные
и центробежные. Кристаллизация - выделение твердой фазы в виде кристаллов из растворов или расплавов. Процесс характеризуется переходом
вещества из жидкой фазы в твердую вследствие изменения его растворимости. Далее выделенный кристаллический продукт подлежит вторичному использованию, а фильтрат подвергается дальнейшей переработке.
Принцип действия установки по очистке грунта от нефти и нефтепродуктов
(разработчик ЦНИИХМ, г. Москва) основан на использовании интенсивной
виброкавитационной экстракции загрязнений, содержащих нефть и
нефтепродукты, с последующим разделением пульпы на чистый (песок) и
извлеченную нефть (нефтепродукты). В качестве экстрагентов могут использоваться различные вещества, в частности, вода, нефть, углеводороды. При
проведении работ на морском побережье - соленая морская вода.
121
В конструкции установки применяется специально разработанный экстрактор, обладающий высокой производительностью и эффективностью, а
также оригинальный узел для последующего отделения грунта от нефти и
нефтепродуктов.
Установка массой не более 2,5 т и производительностью 1 т загрязненного грунта в час имеет модульную конструкцию. Тип модулей и их количество определяются видом и степенью загрязненности грунта. Габаритные
размеры модуля установки составляют: ширина -2 м, длина -2 м, высота - 3
м. Расход воды не превышает 200 кг на 1 тонну исходного грунта, затраты
электроэнергии - 10 кВт в час.
Способ экстракции обеспечивает степень очистки грунта не менее 99% и
высокую производительность процесса при компактности оборудования.
Технология является безотходной и экологически чистой. Возможно создание передвижной очистной установки, что позволяет использовать ее при
ликвидации последствий аварий, в частности на нефтепромыслах и нефтепроводах.
Существенным достоинством метода является то, что извлекаемые из
грунта нефтепродукты можно применять повторно, например, в виде топлива. По сравнению с зарубежными технологиями данный метод обеспечивает снижение эксплуатационных затрат в 3-4 раза и капитальных - в 10 раз.
Схема кристаллизатора с принудительной циркуляцией суспензии приведена на р и с . 7.3. Циркуляция создается мешалкой. Кристаллизатор с
естественной циркуляцией раствора представлен на р и с . 7.4 [5, 6].
122
Дальнейшая переработка твердых отходов (шламов) ведется в оборудовании для сушки жидких, пастообразных и сыпучих продуктов химической,
пищевой, медицинской, микробиологической, стройматериалов, горнодобывающей и смежных с ними отраслей промышленности, а также для
сушки осадков сточных вод и отходов различных производств.
АО «НИИХИММАШ» разработана сушильная техника широкого назначения, используемая, например, в качестве финишного оборудования процессов экстракции и кристаллизации. Ниже приведены схемы (рис. 7.5 а, б,
в, г, д, е) и технические показатели таких аппаратов.
Вальцевые сушилки типа «вн» предназначены для сушки суспензий и
текучих паст.
Рабочей поверхностью является цилиндрический обогреваемый валец,
установленный на двух опорах и снабженный регулируемым приводом для
вращения. Исходный продукт наносится тонким слоем на рабочую поверхность и снимается специальным ножом в виде пленки или чешуек. Время
сушки соответствует одному обороту вальца. Сушилки могут поставляться
комплектно. Исполнение:
одно- и двухвальцевые, открытые и герметизированные с чугунными или
хромированными вальцами.
Диаметр вальца, м: от 1,2 до 2.
Производительность по испаренной влаге, кг/ч: от 25 до 2000.
Обрабатываемые продукты: мездровый клей, гербициды, кормовые белки
и т.д.
Распылительные сушилки типа «рц» и «рф» предназначены для сушки
растворов и суспензий, обеспечивают интенсивное испарение влаги при
кратковременном пребывании продукта в зоне теплового воздействия.
Представляют собой цилиндрическую камеру с коническим днищем. В
верхней части установлены центробежный распылитель или форсунки и
123
устройство для подвода теплоносителя. Получаемый продукт в виде порошка
не требует дополнительного измельчения.
В качестве теплоносителя используется подогретый воздух или дымовые
газы от сжигания мазута или природного газа.
Диаметр камеры, м: 1-2, 5-3, 2-4-5-6, 5-8-10-12,5.
Производительность по испаренной влаге, кг/ч: от 10 до 25000.
Обрабатываемые продукты: минеральные и органические соли, катализаторы, пигменты, красители, кормовые белки, ферменты, сточные воды и
ДРСушилки с вращающимся барабаном типа «бн» предназначены для
сушки кусковых и зернистых материалов, в том числе комкующихся и рассыпающихся паст. Представляют собой горизонтальный цилиндр (барабан),
установленный на опоры для его вращения и снабженный соответствующим
приводом. Сушка осуществляется горячими газами.
Корпус барабана снабжен рядом насадок лопастного или цепного типа,
обеспечивающих перемешивание и перемещение материала вдоль барабана
при активном тепломассообмене.
Диаметр корпуса, м: 0,5-1-1,2-1,6-2,0-2,2-2,5-2,8-3,0-3,2-3,5.
Производительность по испаренной влаге, кг/ч: от 10 до 25000.
Обрабатываемые продукты: минеральные удобрения, угольные горнохимические и металлургические концентраты, каолин, мел, осадки бытовых и
промышленных стоков, доменные шлаки, шламы, кокс, гипс, доломит, песок,
щебень, полимеры в порошке и гранулах, лигнин, отходы животноводческого
производства, деревопереработки и т.д.
Р и с . 7.5 г
Вальцеленточная
сушилки типа «ел»
Вальцеленточные сушилки типа «ел» и «лс» предназначены для сушки
пастообразных продуктов. Представляют собой двухступенчатую установку,
включающую вальцевую и ленточную части. Вальцевая часть выполнена в
виде ребристого обогреваемого цилиндра, установленного на опоры с
приводом для вращения. Продукт прижимным валиком впрессовывается в
канавки, подсыхает в течение одного оборота и специальным ножом-гребенкой удаляется из канавок в виде кусочков или палочек, затем
передается на бесконечную ленту. Ленточная часть представляет собой короб, где размещена бесконечная лента, калориферы для нагрева воздуха и
циркуляционные вентиляторы.
Сушилки типа «ел» и «лс» самостоятельно используются для сыпучих,
гранулированных и волокнистых материалов. Они позволяют строго регулировать время пребывания продукта в аппарате, влажность и температуру
124
теплоносителя и материала, изменять поток теплоносителя: прямоток,
противоток, смешанный и т.д.
Диаметр вальца, м: от 0,8 до 1.
Ширина ленты, м: 0,8-1,0-1,2-2-3.
Производительность по испаренной влаге, кг/ч: от 100 до 1500.
Обрабатываемые продукты: пигменты и наполнители после фильтров,
таблетированные материалы и т.д.
Сушилки роторные вакуумные типа «рв» предназначены для сушки
жидких, пастообразных и сыпучих продуктов от органических растворителей
или продуктов токсичных или пожаровзрывоопасных по своим химическим
свойствам. Сушилки «рв» периодического действия представляют собой
обогреваемую горизонтальную цилиндрическую или биконическую емкость,
внутри которой помещен ротор, мешалка с лопастями различной конструкции,
в том числе с ножевыми и размольными.
Сушилка работает под вакуумом до остаточного давления 50 мм рт.ст., что
обеспечивает высокие скорости сушки при невысоких температурах нагрева.
Это обстоятельство важно для сушки термонестойких материалов.
Достоинством сушилок «рв» является абсолютная герметичность, экологическая чистота, надежность в работе и обеспечение высокого качества
готового продукта, минимальные энергозатраты.
Объем корпуса, м3: 0,3-1,6-4-6-10-30.
Производительность по испаренной влаге, кг/ч: от 5 до 500.
Обрабатываемые продукты: полиамид, поликарбонат, полиэтилен, поливинилхлорид, порошкообразный полисульфон, экстракт полифенола,
кальнитиновая кислота, 2-хлорбензойная кислота, хлористый натрий, хлористый калий, метилглюкамин.
Сушильные аппараты взвешенного слоя с инертным носителем «пи»
предназначены для сушки сыпучих зернистых и порошкообразных продуктов.
Проектируются индивидуально во всех элементах соответственно гидродинамическим свойствам обрабатываемого материала.
125
Сушильные аппараты с псевдоожиженным (взвешенным) слоем работают
на принципе активного продува слоя материала в режиме, создающем
расширение (псевдокипение) слоя материала. Подобный режим характеризуется высокой интенсивностью тепломассобмена и соответственно высокой
производительностью.
Аппарат представляет собой вертикальную цилиндрической формы камеру. В нижней части камеры установлен газоподвод с газораспределительной решеткой, на которую засыпается слой инертных частиц (фторопласта или др.).
Сушильные аппараты НИИХИММАШа с инертным носителем имеют
универсальное применение и способны обрабатывать широкий диапазон
продуктов жидкотекучих, пастообразных и сыпучих (при соответствующих
видах питателей).
Готовый продукт получается в виде порошка или чешуек. Объем корпуса,
м3: 1,5-6-20.
Производительность по испаренной влаге, кг/ч: от 50 до 1000. Обрабатываемые материалы: красители, ферменты, наполнители, органика и др.
Р и с . 7.6. Окомкователь пыли роторный ОПР-200 А - пыль; В - вода; 1 - привод; 2 подающий шнек, 3 - загрузочный патрубок; 4 - форсунка; 5 - эластичная вставка; 6 - ротор
штыревой; 7 - разгрузочный патрубок; 8 - обратный виток, 9 - рама.
Часто после сушки мелкодисперсных порошков в целях снижения пыления подвергают уплотнению {грануляции) на различных видах оборудования: барабанные, тарельчатые, роторные, брикетные и др. грануляторы [7].
На р и с. 7.6. показан окомкователь порошков (пылей) роторный ОПР, а
126
ниже приведена его техническая характеристика. Применение окомкователя целесообразно перед выгрузкой высушенного порошка или пыли на ленту
транспортера или в емкость. Обработанная пылевая масса приобретает вид
гранул размером от 1 до 10 мм и влажностью 7-15%, которые не создают
вторичного пыления при перевозке транспортными средствами общего
назначения, при захоронении в отвалы или иной подготовке к утилизации.
Окомкователь может применяться в черной и цветной металлургии,
промышленности строительных материалов, машиностроении, химической
промышленности [8].
7.3. Использование твердых отходов в качестве вторичных
энергетических ресурсов (ВЭР) и вторичных материальных ресурсов
(BMP)
Термические методы у н и ч т о ж е н и я твердых BMP позволяют использовать энергетический (топливный) потенциал отходов, а в случае
комплексной переработки извлекать из продуктов термообработки различные вещества, применяемые в основной или смежной отраслях. Процесс
осуществляют в термических реакторах различных конструкций (шахтные,
циклонные, с псевдоожиженным слоем и др.). Недостатком метода сжигания
является образование сопутствующих топочных газов, подлежащих дополнительной очистке. В ряде случаев при термической переработке твердые отходы подвергают пиролизу - высокотемпературному превращению
органических соединений, сопровождающееся их деструкцией и вторичными
процессами. Образующиеся продукты используются как жидкое и газообразное топливо.
Переработка отходов с целью использования их энергетического потенциала без нанесения экологического ущерба окружающей среде представляет собой сложную энерготехнологическую проблему. К таким ВЭР относятся отходы химической и термохимической переработки углеродистого или
углеводородного сырья, древесные отходы в лесной, деревообрабатывающей и целлюлозно-бумажной промышленности, отходы химических
производств (например, пластмассы или смолы), представляющие собой
смеси различных веществ и др., разделение которых экономически нецелесообразно.
Большого экономического эффекта достигают при применении систем,
вырабатывающих или полностью обеспечивающих себя электроэнергией,
кислородом, сжатым воздухом и теплом (паром). Избытки электроэнергии,
127
тепла и продуктов разделения воздуха используют для нужд комму- нал
ьно-городского хозяйства. Схема такого энерготехнологического агрегата с
применением печей Ванюкова предназначена для переработки твердых
бытовых и промышленных отходов (ТБПО) в барботируемом расплаве шлака.
Сущность технологического процесса переработки ТБО в печи Ванюкова
заключается в высокотемпературном разложении (плавке) компонентов
рабочей массы в слое барботируемого шлакового расплава при температуре
1350-1400 °С и выдерживании их в течение 2-3 секунд, что обеспечивает
полное разложение всех сложных органических соединений (в том числе
дибензодиоксинов и дибензофуранов) до простейших компонентов. Барботаж
осуществляется за счет подачи через стационарные дутьевые устройства
окислительного дутья.
ТБПО рассматривается как топливо с теплотворной способностью
1500-1800 ккал/кг при влажности 51,7%.
Плавка осуществляется автогенно без добавления топлива на дутье,
обогащенном кислородом до 50-70%.
Комплекс по утилизации отходов позволяет перерабатывать шихту без
предварительной сортировки и сушки со значительным колебанием по химическому и морфологическому составу за счет универсальности плавильного агрегата.
Экологическая безопасность достигается за счет отсутствия на выходе из
печи высокотоксичных соединений и применения системы очистки газа,
имеющей запас по пропускной способности и рассчитанной на улавливание
практически всех возможных вредных соединений, встречающихся в бытовых
и промышленных отходах и образующихся при их переработке.
ТБПО и флюсы поступают на завод автотранспортом. Материалы взвешиваются и проходят дозиметрический контроль.
В результате плавки образуются газы, содержащие продукты сгорания и
разложения ТБО, и шлак, состоящий из силикатов и оксидов металлов.
Возможно образование донной фазы, содержащей черные и цветные металлы.
Шлак после водной грануляции поступает на предприятия стройиндустрии или на строительство автодорог.
Донная фаза отливается в слитки и отправляется на переработку на
предприятия черной и цветной металлургии.
Газы охлаждаются в газоохладителе с получением пара энергетических
параметров, очищаются от пыли, возгонов, вредных примесей и сбрасываются в атмосферу через дымовую трубу.
Уловленная пыль, в зависимости от содержания в ней компонентов, отправляется или потребителю, или возвращается в оборот - на переработку с
ТБПО.
Н а р и с . 7.7 представлена структурно-технологическая схема, а на р и с .
7.8 - принципиальная аппаратурно-технологическая схема переработки
ТБПО.
128
Р и с . 7.7. Структурно-технологическая схема переработки
ТБПО
В т а б л . 7.1. представлены параметры отходящего (выбрасываемого)
газа в атмосферу, в т а б л . 7.2, 7.3 и 7.4 - технико-экономические показатели
различных установок - модулей по переработке ТБПО.
Таблица 7.1
Параметры газа на выбросе в атмосферу
Элемент
Содержание в
газах х10'3,
мг/нм3
Значение
ГЩКхЮ"3,
мг/нм3
ЦИНК
3,0
50
кадмий
свинец
медь
ванадий
висмут
серебро
вольфрам
цирконий
барий
0,02
0,3
0,3
0,3
0,5
2,0
0,03
2,0
0,3
50
0,01
1000
0,002
150
0,005
1000
0,8
4,0
129
Элемент
Содержание в
газах х103,
мг/нм3
Значение
ПДКхЮ'3,
ртуть
0,005
0,3
никель
мышьяк
олово
стронций
сурьма
молибден
калий
бор
хром
0,03
1,0
0,003
3,0
0,3
20
0,1
1000
0,005
20
0,01
100
0,005
100
0,1
10
0,005
1,5
мг/нм3
N
3
s
j
131
Таблица 10.1
Капитальные вложения на строительство Таблица 10.1
модулей в условиях средней полосы России в
млн долл. США
Наименование работ и затрат
МПВ-30
МПВ-60
МПВ-120
МПВ-240
Строительные работы
3Г33
4,48
6,38
9,75
Монтажные работы
Оборудование
Прочие работы и затраты
1,13
3,75
0,99
1,53
5,06
1,33
2,17
7,2
1,89
3,49
11,61
2,95
17,64
27,8
Всего:
9,2
12,4
Таблица 7 3
Удельные расходы энергоресурсов на 1 т ТБПО
№
Наименование
МПВ-30
Ед. иэм.
МПВ-60
МПВ-120
МПВ-240
202
277
372
0,35
192
256
441
0,3
Затраты энергоносителей
1.
2.
Собственного
производства
электроэнергия
кислород технический
сжатый воздух
тепло
От внешнего источника
электроэнергия
природный газ
вода производственная
кВт час
285
423
260
0,8
HMJ
HMJ
Гкал
кВт час
нм3
M
240
316
195
0,6
—
175
81
2,9
J
50
2,24
—
22
2,26
—
14
1,95
Таблица 7.4
Годовое производство и выпуск товарной продукции
Наименование
Ед изм.
МПВ-30
МПВ-60
МПВ-120
МПВ-240
Мощность по переработке
Твердые бытовые отходы
Твердые промышленные отходы
В с е г о ТБПО
Товарная продукция
Гранулированный
шлак
Металлосодержащий
продукт
132
тыс. тонн
30
60
120
240
1)
5
10
20
40
I»
35
70
140
280
тыс. тонн
тыс. тонн
Наименование
Электроэнергия
Тепло
(отработанный
пар)
Азот жидкий
Аргон жидкий
Аргон газообразный
Продолжение таблицы 7.4
МПВ-60
Ед изм.
МПВ-30
тыс. кВт час
—
—
МПВ-120
МПВ-240
1700
8040
тыс. Гкал
20,0
50,0
120,0
240,0
тонн
тонн
тыс. м'
130
130
110
350
350
300
800
800
680
1480
1480
1250
Модули, кроме мпв-30, полностью обеспечивают себя кислородом,
сжатым воздухом, теплом и электроэнергией. Избыток электроэнергии, тепла
и продуктов разделения воздуха (кислород, азот и аргон) используется для
нужд населения и промышленных предприятий. Теплом отработанного пара
турбогенератора в зависимости от мощности модуля можно отапливать от 3
до 30 гектаров тепличных хозяйств. Шлак используется для изготовления
строительных изделий (минеральная вата, пирозит, декоративная
керамическая плитка, фундаментные блоки и др.), а также для строительства
дорог. Из отходящих газов печи Ванюкова, по желанию заказчика, возможно
получение товарной угольной кислоты (сухого льда) и метанола (сырья для
получения высооктанового бензина). Условная экономия земельных
площадей при переработке 120 тыс. тонн ТБО (базовый модуль мпв-120 за
счет высвобождения ее при ликвидации или сокращении полигонов составит
150 га при продолжительности эксплуатации модуля в течение 30 лет. При
наличии в отходах черных и цветных металлов возможна их утилизация и
вторичное использование.
Технология разработана и апробирована ведущими научными коллективами цветной металлургии - институтами «Гинцветмет», «Гипроцветмет»,
Московским институтом стали и сплавов с участием АКХ им. Памфилова на
опытно-промышленном заводе (РОЭМЗ) в г. Рязани.
Научно-производственной фирмой «Термоэкология» и акционерным
обществом «ВНИИЭТО» (г. Москва) разработана технология и оборудование
для термической переработки и утилизации твердых бытовых, промышленных и больнично-медицинских отходов. Используемая для переработки и утилизации отходов технология «ПИРОКСЭЛ» о б е с п е ч и в а е т :
- возможность безоотходной высокотемпературной переработки отходов,
в том числе токсичных и с высокой влажностью;
- очистку отходящих газов от пыли, соединений хлора и фтора, тяжелых
металлов, окислов серы, азота и т.д.
- полное уничтожение образующихся в процессе переработки диоксинов
и фуранов;
- производство полезного продукта в виде различных строительных
материалов-теплоизоляционных, отделочных и конструкционных.
Метод высокотемпературной переработки отходов «ПИРОКСЭЛ» базируется на комбинировании процессов «сушка» - «пиролиз» - «сжигание» -
133
«электрошлаковая обработка» и предусматривает соответствующее аппаратурное оформление (рис. 7.9). Технические характеристики установок
представлены в т а б л . 7.5.
Таблица 7.5
Технические характеристики установок «ПИРОКСЭЛ»
Наименование
Производительность
Мощность источника
питания
Расход электроэнергии
Объем дутьевого воздуха
Расход
подпиточной
воды на охлаждение
Численность
персонала
ТПО-2,5
ТПО-Ю
ТПО-25
ТПО-ЮО
2,5
10
25
100
250
кВт
250
750
1800
8000
16000
кВт ч/т
210
170
130
100
80
м3/час
500
3000
9000
15000
30000
м^/час
3
4
6
15
30
чел.
10
18
47
95
136
Ед изм.
тыс./год
ТГЮ-250
Основное технологическое оборудование включает плавильную электропечь, пиролизную шахту, сушильный барабан с загрузочным устройством. Отходы подаются через загрузочное устройство и сушильный барабан
134
в пиролизную шахту и плавильную электропечь, последовательно проходя
через сушку, пиролиз, окисление углерода и обработку жидким шлаком. В
результате происходит разложение отходов на шлак, металл, пиролизные
и дымовые газы. Подогрев шлака осуществляется графитовыми электродами, которые подключены к источнику питания, при этом состав шлака
регулируется добавкой флюсов. Слив шлаков и металла осуществляется
периодически через дозирующие отверстия с последующей грануляцией.
В процессе переработки образуются газы двух типов: пиролизный и
дымовой. Пиролизные газы проходят по замкнутому рециркуляционному
тракту, включающему циклон (очистка от пыли), холодильник (выделение и
удаление конденсата воды) и дымосос. Пиролизные газы возвращаются в
подсводовое пространство электропечи для сжигания.
Дымовые газы из подсводового пространства направляются в реактор
(дополнительное разложение диоксинов и связывание хлора), фильтр,
скруббер и через дымосос и дымовую трубу выбрасываются в атмосферу.
Все оборудование объединено в единый производственный комплекс
( т а б л . 7.6.).
Таблица 1 6
¥
Основные технические характеристики
Наименование участка
Производство т/сутки
Потребляемая
мощность
,
кВт час
Водопотребление,
м3/сутки
Обор.
Техн.
2016
260,5
1640
14,4
2760
Участок по термической переработке отходов
82
650
Участок по производству пирозита
Участок по производству металлической фибры
Участок по переработке резинотехнических изделий
Производство коагулянта
Производство пигмента
49 MJ
116
7
300
10
200
120
51,6
1.2
0,12
162
72,5
120
3,6
Итого
—
1500,5
Природный
газ, нм/сут
—
—
—
2256
8,0
—
338,1
—
—
_
—
3800
Переработка отходов и получение из ее продуктов строительных и
других материалов осуществляется н а с л е д у ю щ и х производственных
участках:
- участке по термической переработке отходов;
135
- участке по производству пирозита;
- участке по производству металлической фибры;
- участке по переработке резинотехнических изделий;
-участке по переработке коагулянта и пигмента;
- участке по переработке гальваностоков.
Технологии всех производственных участков взаимосвязаны. Объединяющим является принцип безотходности производства: продукты переработки
отходов на одном производственном участке являются либо товарной
продукцией, либо исходным материалом для переработки на другом участке. В
конечном итоге из твердых бытовых, медицинских и ряда промышленных
отходов производятся: пористый наполнитель (пирозит), красящие пигменты и
резиновая крошка. Избыток тепла, образующийся в результате работы
установок комплекса, используется для переработки загрязненного снега и
отопления производственных помещений.
Первый из подобных комплексов - Региональный экологический центр
ЮВАО г. Москвы - создан и успешно работает на территории Юго-Восточного
административного округа столицы. Производительность центра - 25 тыс. тонн
отходов в год (р и с. 7.10).
Относительно низкая себестоимость оборудования, а также возможность
реализации получаемых в результате переработки отходов материалов,
определяют срок окупаемости комплекса в 2,1 года.
ОАО «Уральский институт металлов» предложены технологии комплексной
переработки железосодержащих отходов предприятий черной металлургии и
сухой грануляции шлака с утилизацией его тепла. В основу комплексной
технологии заложены отработанные в отечественной и зарубежной
металлургии процессы. Технологическая схема включает термическое
обезмасливание мелкой окалины из вторичных отстойников прокатных цехов,
сгущение и частичное обезвоживание шламов, агломерацию и холодное или
горячее брикетирование отходов в различном сочетании с добавками с целью
получения продуктов, удовлетворяющих требованиям доменного и
сталеплавильного переделов. При необходимости отходы с повышенным
содержанием цинка могут быть металлизованы с попутной отгонкой и
улавливанием оксида цинка. Схема имеет блочную структуру и может быть
реализована по частям, в том числе и на предприятиях с неполным
металлургическим циклом. В зависимости от видов, количества, физических и
химических свойств образующихся отходов, имеющегося задействованного и
резервного оборудования в основных и вспомогательных цехах, а также на
близрасположенных предприятиях, комплексная технологическая схема
подлежит корректировке с целью максимального учета местных условий и
минимизации дополнительных капитальных затрат.
Преимущества технологии:
- полное использование текущих железосодержащих отходов;
- возможность утилизации заскладированных отходов из шламонакопителей;
- снижение потребности в привозном сырье;
136
С
л
>
С
О
- высокое качество получаемых продуктов и их эффективное применение в производстве;
- максимальное использование резервных производственных площадей и оборудования при минимальных дополнительных капитальных затратах;
- уменьшение затрат на содержание отвалов и улучшение экологической обстановки;
- высокая экономическая эффективность и быстрая окупаемость затрат.
Предлагается также технология и установка для грануляции жидких
шлаков воздухом с утилизацией до 45-50% тепла расплава. Производительность установки изменяется в пределах 1,5-4,0 т/час. Конструкция узла
распыливания обеспечивает проработку 100% жидкой части без образования корок и настылей и снижает энергозатраты на дробление шлака до
0,7-0,8 кВт-ч/т. Получаемый гранулят имеет средний фракционный состав:
более 5,0 мм - 0,2-0,5%; 2,5-5,0 мм - 20-25%; 1,25-2,5 мм - 40-50%; 0,63-1,25
мм - 30-35%; менее 0,63 мм - остальное.
При грануляции самораспадающихся шлаков происходит их стабилизация и исключается образование пыли при охлаждении гранул. Отработанный воздух обеспыливается и передается на регенерацию тепла. Вредных
газообразных продуктов не выделяется. Весь процесс осуществляется в
автоматическом режиме.
Тепло шлака утилизируется в виде горячей воды, пара и горючего воздуха. Соотношение между объемами утилизаторов могут меняться в широких пределах.
В зависимости от химического состава исходного шлака гранулят может
быть использован в агломерационном производстве, цементной промышленности, в дорожном строительстве, сельском хозяйстве и т.п. Грануляция
способствует повышению гидравлической активности шлаков.
Технология сухой грануляции опробована на Череповецком и Оскольском металлургических комбинатах, Верх-Исетском металлургическом, Серовском и Актюбинском ферросплавных заводах.
В производстве стекла и стеклянного волокна твердые отходы (стеклобой) могут достигать 50-70%, а в производстве стеклянного волокна отходы
составляют не менее 15-30% от выпуска годной продукции. Задачи промышленной экологии, требования к малоотходным производствам и технологии стекловарения предопределили основные варианты рационального
использования получаемых отходов как вторичных материальных ресурсов
(BMP). Неоднородный состав отходов, их специфические свойства (твердость, аброзивность и др.) создают основные трудности повторного их использования в процессах стекловарения. Комплекс проведенных исследований в Московском государственном университете инженерной экологии
138
(МГУИЭ) позволил разработать оригинальные методы промышленной рекуперации отходов [4].
—л
со
СП
140
Способ рекуперации отходов стекловолокна путем переплавки (рис.
7.11), включающий кучевую загрузку через окно 1 отходов 12, их варку при
температуре (1300±50) °С, гомогенизацию расплава и термическую грануляцию, осуществляют в реакторе с двойным сводом (в нем размещен теплообменник 5). Реактор снабжен плавильным бассейном 11, каналом кондиционирования 10, узлами подачи топлива 2, 7 и воздуха 5. Каналы ввода
воздуха и топлива снабжены устройствами для изменения угла их наклона,
нижняя часть составного свода 6 в конце плавильного бассейна выполнена
с наклоном под углом 25±45°. Термический гранулятор 9 выполнен со штуцерами ввода и вывода охлаждающей воды и снабжен форсункой с механизмом регулирования угла наклона относительно вытекающей струи стекломассы. Термическое гранулирование струи стекломассы (ее расход регулируют плунжером 8) ведут при ее вязкости 105-109 Пз струей воды под
давлением 0,15-0,3 МПа при соотношении струи расплава стекломассы и
воды 1,4-2 и соударяющихся под углом 45-80° на высоте, равной 15-30
диаметров отверстия питателя. Применение в реакторе двойного свода с
теплообменником 5 и фильтра 3 позволяет эффективно использовать тепло отходящих газов 4 и снижать перепад температур между верхним и
нижним строением плавильного бассейна, что резко снижает выбросы в
атмосферу из расплава вредных и дефицитных компонентов (бор, фтор,
мышьяк и др.) и значительно улучшает структуру получаемых гранул.
Диаметр получаемых гранул колеблется от 2 до 4 мм. Производительность
по гранулам составляет 10 т/сут.
Оптимальные условия в объеме отходов и получаемом расплаве, минимальные потери при сгорании топлива и стабилизация химического состава стеклогранул, соответствующего требованиям на сырьевые материалы для стекловарения, позволили по сравнению с имеющимися решениями снизить расход топлива на 40%, повысить производительность в
2,5-3 раза и значительно снизить выбросы в окружающую среду соединений
бора (с 3,5-4% до 0,2-0,3%). Экономия минерального сырья при подготовке
стекольной шихты с использованием специально переработанных отходов
основного производства достигает 30%.
Способ рекуперации отходов стекловолокна путем их механического
измельчения в сочетании с термообработкой при температуре 450-830 °С в
туннельной или барабанной печи и последующим резким охлаждением
заключается в следующем (рис. 7.12). Стеклянные нити (их отходы) в мягкой и твердой фазах, прошедшие операции сбора, транспортировки и сортировки направляются в туннельную печь в виде слоя определенных размеров (соотношение его высоты к ширине может изменяться от 0,025 до
0,35) и подвергают термообработке при температуре 450-830 °С. При этом
размеры слоя обеспечивают равномерный отжиг отходов и удаление (выжигание) органического или неорганического покрытия их поверхности (а,
следовательно, и стабильность их химических и физико-механических
свойств) по всему объему.
142
ы
Подготовленные таким образом (термообработанные) отходы подают в
камеру охлаждения с целью резкого снижения их температуры. Охлаждение
осуществляют за счет термического удара (например, сжатым воздухом) при
перепаде, равном (0,005-0,3)Тсг, где Тег - температура сгорания наиболее
термостойкого компонента покрытия 'стеклянных нитей или их отходов. Резкий
перепад температур вызывает спонтанные структурные изменения в объеме
переработанного материала, происходит его разупрочнение (растрескивание)
и наблюдается эффект массового самоизмельчения отдельных волокон
отходов. Далее отходы с пониженной по сравнению с до операции резкого
охлаждения прочностью на истирание и излом направляются в установку для
их измельчения, например, в молотковую дробилку. Процесс измельчения
ведет при отношении твердой фазы к мягкой, большем не менее чем в 3 раза
отношения твердой (хрупкой) фазы к мягкой перед термообработкой.
Дополнительно может осуществляться ввод возвратного стеклобоя (например,
бракованные стеклошарики) в измельчитель или в печь отжига, количество
которого может изменяться в диапазоне 2-45% от массы отходов. Ввод
возвратного стеклобоя в измельчитель осуществляется с целью
интенсификации процесса измельчения отходов. В этом случае стеклобой
выполняет роль дополнительных помольных тел. Одновременно решается
вопрос вторичного использования стеклобоя. Ввод возвратного стеклобоя в
печь отжига используется при наличии в стекле кусков размером более 30-70
мм. За счет термоудара такие куски разрушаются на фракции с размером 1-15
мм, которые затем направляются в измельчитель в качестве помольных тел и
для дополнительного их измельчения до фракции с максимальным размером
0,8-1,0 мм.
Технико-экономический эффект от использования этого способа рекуперации выражается в увеличении производительности процесса в 1,4-1,7
раза, снижении энергозатрат на 32-43% и уменьшении загрязнении окружающей среды. Использование в стекловарении порошка из отходов целевого
продукта путем его добавки в качестве комплексного компонента в
традиционную порошковую или компактированную шихту позволяет экономить
до 45% дорогостоящего минерального сырья.
На основе разработанных технологий вторичной переработки промышленных и бытовых отходов стекла и стекловолокна получены новые материалы
и изделия, отвечающие в полной мере требованиям экологической экспертизы
и промышленного дизайна: стеклогранулят, стеклопорошки, стеклянные
микрошарики
и
полые
микросферы,
воднодисперсионные
краски,
облицовочная стеклоплитка различной фактуры и оттенков и другие
материалы.
Создание новых лакокрасочных композиций с повышенной прочностью,
термостойкостью и износостойкостью, малым тепловым расширением и низкой
стоимостью становится возможным благодаря разработке новых составов, в
частности, применению наполнителей с улучшенными свойствами.
Такими уникальными характеристиками обладают мелкодисперсные
системы, состоящие из сферических частиц стекла с размерами от 3 мкм до
400 мкм. Гранулометрический и химический составы наполнителей (мик-
144
рошарики и микросферы) являются основными критериями для выбора
конкретной области их использования. Идеальная форма поверхности, отсутствие острых кромок обеспечивают равномерное распределение
напряжений вокруг частиц и улучшение механических и потребительских
характеристик наполненных материалов.
Предложен состав антикоррозионной композиции, предназначенной
для обработки и восстановления покрытий днища кузова легковых автомобилей, а также для защиты от коррозии химического и нефтегазового оборудования. За счет введения в битумную основу стеклянных наполнителей
увеличивается гидрофобность и адгезионная способность, возрастает
ударная прочность и термостойкость покрытия, а также повышается
проникающая
способность
наносимой
композиции.
Композиция
рекомендована также в качестве клея для различных конструкционных
материалов (древесины, пластмасс, резины и т.п.).
Разработано аппаратурно-технологическое оформление линии для
производства воднодисперсионной краски различного назначения (рис.
7.13.). В качестве наполнителя 2 латексной основы используются микрошарики, микросферы, а также порошки из промышленного и бытового
стеклобоя. В смесителе 1 происходит перемешивание всех компонентов 3,
необходимых для получения воднодисперсионной композиции. Полученный состав накапливается в бункере 4 и с помощью оборудования по дозированию 5 и расфасовке 6 направляется в бункер хранения готового
продукта .
145
Воднодисперсионная композиция наносится на бетонную, оштукатуренную,
кирпичную, деревянную и другие поверхности без предварительной их
подготовки. Срок службы покрытия по сравнению с аналогом возрос в 3-7 раз.
Предлагаются к реализации также составы рефлектирующих эмалей и
мастик, в которых светоотражающую функцию выполняют стеклянные микроизделия.
В НПО «Радон» переработке подвергаются радиоактивные отходы (РАО)
А
Л
средний и низкой активности (твердые - до 10" Ки/кг, жидкие - до 10" Ки/л).
В целях экономии объема хранилищ и обеспечения безопасности при
длительном хранении твердые РАО перед захоронением подвергаются переработке сжиганием и прессованием. Сжигаются горючие отходы (за исключением галогенсодержащих): древесина, бумага, ветошь, спецодежда,
биологические отходы и т.п. Коэффициент сокращения объема - 60-80.
Образующаяся зола отверждается методом цементирования, превращаясь в
монолитные блоки. Высокоэффективная система газоочистки обеспечивает
надежную защиту атмосферного воздуха.
Прессованию подвергаются негорючие отходы или те, сжигание которых
нецелесообразно ввиду содержания опасных веществ: металлоизделия,
резина, пластмасса, лабораторное оборудование. Коэффициент сокращения
объема - 4-8.
Крупногабаритные и свехпрочные конструкции поступают на захоронение в
индивидуальных контейнерах без переработки. Пустоты, образующиеся в
хранилище между упаковками с РАО, заполняются цементным раствором.
Жидкие РАО подвергаются различным методам очистки и обезвреживания,
позволяющим сконцентрировать радиоактивные вещества в малом объеме. На
конечной стадии они переводятся в твердые формы, безопасные при
длительном хранении.
О с о б е н н о с т и п е р е р а б о т к и РАО по данной технологии (рис. 7.14):
- способность перерабатывать отходы сложного морфологического состава с содержанием негорючих компонентов до 40% (в том числе металлов);
- относительно малые объемы отходящих газов и малые уносы радиоактивности из печи;
- высокая степень сокращения первоначального объема отходов;
- получение конечного продукта в виде плавленого химически стойкого
материала.
146
-А
Санитарное захоронение (контролируемое) отходов является альтернативой современной практике сброса ТПБО на открытые свалки. Концепция
метода нацелена на создание полигонов как экономически нейтральных
производственных объектов. Она включает следующие основные принципы:
максимальное использование рабочего объема полигона; контроль состава
отходов, поступающих на захоронение; учет реальной массы, поступающей
на захоронение; минимизация негативного влияния ингредиентов отхода на
биосферу и др. [2, 9].
Санитарному захоронению подлежат отходы, обезвреживание которых
нецелесообразно по экономическим соображениям или технически затруднено (часто невозможно). Причем наземное складирование вновь образуемых твердых отходов недопустимо. Существующие отвалы, например, фосфогипса, являются потенциальным сырьем для стекольной промышленности.
Полигон для захоронения отходов должен быть обустроен природоохранными техническими средствами, обеспечивающими перехват водных и
газовых эмиссий, формируемых структурой отходов (рис. 7.15.). К этим
средствам относятся: противофильтрационный экран в основании полигона,
система дренажа для сбора фильтрата в основании полигона, система
дренажа для отвода поверхностного стока с прилегающих территорий, система откачки и очистки свалочного фильтрата, газодренажная система,
система откачки и обезвреживания (утилизации) газовых эмиссий, непроницаемый поверхностный рекультивационный экран.
Принцип максимального использования рабочего пространства предполагает реальное доведение плотности ТПБО не ниже 0,8 т/м3 и реализацию
высотной схемы складирования [2J. Средние затраты захоронения отходов в
1978 г составляли 110-340 $/т, химическая фиксация в твердое состояние
увеличивает затраты примерно на 200 $/т, фиксация отходов капсулированием - на 100 $/т [9].
148
Основные элементы санитарного полигона ТБО
Р и с . 7.15. Принципиальная схема устройства полигона для санитарного
захоронения ТПБО
7.5. Экологическая оценка влияния промышленности на природу
Оценка природоохранительной деятельности предприятий производится
по различным показателям: достигаемой степени очистки вредных выбросов
(ПДК, остаточные концентрации); уровню загрязнения окружающей среды;
капитальным и эксплуатационным затратам на экобиозащитную технику и т.д.
[2].
Существуют нормы абсолютного количества вредных веществ на 1 т
готовой продукции. В качестве критерия оценки можно рекомендовать индекс
относительной токсичности массы (ОТМ), применяемый в химической
промышленности:
. HflKj
i o = s ™v
где ПДК-f и ПДKj - предельно допустимые концентрации вещества, соответственно принятого за эталон и сравниваемого (эталонные ПД^ - 1 мг/л для
воды и 0,01 мг/м3 для воздуха).
При помощи индекса относительной токсичности и концентрации вещества
в выбросе С можно рассчитать относительную токсичность единичного li, ln и
суммарного lN выбросов:
149
Общий индекс относительного загрязнения среды определяется по
формуле:
где lj!j, i f j , — индексы относительной токсичности выбросов в атмосферу,
воду и на поверхность литосферы; а, р - коэффициенты, характеризующие
перенос загрязняющих веществ в поверхностные или грунтовые воды с учетом
фильтрации, сорбции, трансформации (определяются экспериментально).
ОТМ выбросов определяется с учетом объемов единичного, группового и
суммарного выбросов:
где Mh Мп, MN - единичная, групповая и суммарная токсичные массы выбросов;
Vif Vm VN- единичный, групповой и суммарный объем выбросов.
Общий баланс ОТМ технологического процесса
где Мс + Мв- масса отходов, поступающих в окружающую среду с газовыми
выбросами и сточными водами; I Мн - масса нейтрализованных отходов; 1Мр масса рассеянных отходов.
Относительная экологичность процесса, объекта, предприятия и т.д.
определяется по формуле, %,
где 1 , 2 - индексы, характеризующие величины либо до и после внедрения
нового аппарата, метода, процесса, либо перед очистными сооружениями и
после них.
Для облегчения дальнейших расчетов и получения критериев, численно
сопоставимых с принятыми в других методиках, выбирают ПД^ - 1 мг/л для
гидросферы. Значение единичной ПДК для атмосферного воздуха ПДКав
рассчитывается из известной системы уравнений:
150
где ПДКав, ПДКвт ПДКв - предельно допустимые концентрации соответственно
в атмосферном воздухе, в воздухе промышленных помещений и в водоеме.
Г1ДК для воздуха выражается в миллиграммах на кубический метр, для воды в миллиграммах на литр.
При решении этой системы получаем:
В качестве единицы ОТМ принята условная единица 1 етм, соответствующая загрязненности 1 м3 природной или техногенной среды 1 кг ОТМ.
Оценивая уровень загрязнения окружающей среды, необходимо иметь в
виду, что для одной природной сферы (атмосферы, гидросферы) на основании
существующих санитарных норм обязательно соблюдение условия
Если в сточных водах, выпускаемых с предприятия в водоем, присутствуют
одновременно загрязняющие вещества, относящиеся к различным группам по
лимитирующим показателям вредности (санитарно-токсиколо- гического - ст,
токсилогического - т, общесанитарного - ос), следует вначале привести их к
суммарным значениям ОТМ внутри каждой группы (MCTt Мт, Мос), а затем к
общей ОТМ:
Сопоставление частных ОТМ в выбросах в водоем по группам вредности
позволяет выявить, по каким именно веществам создается неблагоприятная
обстановка в водоеме и требуется принятие мер. ОТМ каждой группы веществ,
отнесенная к площади водосбора в единицу времени, представляет собой
модуль химического стока в единицах ОТМ с площади F промышленной
площадки:
который в сопоставлении с модулем естественно-ионного стока характеризует
нагрузку на окружающую среду в исследуемом районе.
Так как токсичность вещества для живых организмов - одно из проявлений
его активности, можно сделать чрезвычайно важный вывод о наличии пока
еще не исследованной коррелятивной связи между его токсичностью и
151
эксергией и далее токсичностью химических веществ, элементов, ионов и их
энергетическими характеристиками. Это дает возможность определять в
дальнейшем ПДК не эмпирическим путем, как это делается в настоящее
время, а на основе строгих термодинамических характеристик, большинство из
которых табулировано.
7.6. Экономическая эффективность безотходных производств
При безотходном производстве рационально используются сырье и
энергия и не оказывается вредного влияния на окружающее пространство.
Экономический эффект в этом случая образуется за счет непосредственного
возвращения сырья (отходов) в производство Эн в» предотвращения
социально-экономического ущерба от загрязнения окружающей среды Эу и
снижения затрат на добычу сырья ЭР:
Непосредственный эффект от использования отходов производства
где Z- замыкающие затраты на данный вид продукции; л - количество используемых отходов; f - коэффициент, учитывающий количественное соотношение отходов и исходного сырья; Зп - приведенные затраты на вовлечение отходов в производственный цикл.
где Ув - возможный ущерб при отсутствии природоохранных мероприятий,
выраженных в стоимостной форме; Уф - фактический ущерб, выраженный в
стоимостной форме и существующий в данное время.
Региональный эффект ЭР может быть предоставлен в виде снижения
приведенных затрат на единицу продукции за счет использования отходов
производства.
Социально-экономический эффект безотходных производств определя-
ется по комплексному критерию:
152
где
- сумма всех эффектов, достигаемых при внедрении безотход
ного производства:
где 3i - эффект от производства конечной продукции, полученной при
внедрении безотходного производства и более полного использования исходного сырья; Э2 - эффект от потребления конечной продукции, полученной
при внедрении безотходного производства и более полного использования
исходного сырья; Э3 - экономия затрат на разведку, добычу и транспортировку
отдельного ресурса; Э4 - эффект от комплексного развития региона и
совершенствования размещения производственных сил; Э5 - внешнеторговый
эффект (сокращение импорта или рост экспорта сырья, продуктов
переработки, конечного продукта); У - ущерб от загрязнения окружающей
среды отходами производства и потребления; Зп - полные затраты на
осуществление безотходного производства.
При наличии ряда вариантов безотходного производства должен быть
выбран вариант с наибольшим коэффициентом абсолютной социально-экономической эффективности при равных или близких по значению народнохозяйственных затратах (независимо от агрегатного состояния отходов: газ,
жидкость, твердое, комбинированное).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Environmental Protection Agency 1977. State Decision - Makers Guide for Hazardous Waste Management.
2. Лившиц А.Б. Современная практика управления твердыми бытовыми отходами/Чистый город. 1999. № 1(5). С. 2-12.
3. Xenahis Е. Strategies on Biomass Energies in EU//Conference «The future of biogas in Europe». Denmark, Hesning, P 12-13.
4. Калыгин В.Г., Попов ЮЛ. Порошковые технопогии: экологическая
безопасность и ресурсосбережение. М.: Изд-во МГАХМ, 1996. 212 с.
5. Бондарева Т.И. Экология химических производств. М.: Изд-во МИХМ, 1986. 92 с.
6 Оборудование, сооружения, основы проектирования химико-технологических
процессов защиты биосферы от промышленных выбросов/А.И. Родионов, Ю.П.
Кузнецов, В.В. Зенков, Г.С. Соловьев. М : Химия, 1985. 352 с.
7. Классен П.В., Гришаев ИТ. Основы техники гранулирования. М., 1982. 272 с.
8. Каталог НИИОГАЗ. Наша продукция - чистый воздух. М.: НИИОГАЗ, 1989.
9.
Доусон Г, Мерсер Б. Обезвреживание токсичных отходов. М.:
Стройиздат, 1996. 288 с.
153
Т е м а III. ВИБРОАКУСТИЧЕСКИЕ ЗАГРЯЗНЕНИЯ (ИЗЛУЧЕНИЯ,
ПОЛЯ) ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ: МЕХАНИЗМ ЯВЛЕНИЯ,
НОРМИРОВАНИЕ И ЗАЩИТА
Лекция ft ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ ШУМ: МЕХАНИЗМ ЯВЛЕНИЯ,
НОРМИРОВАНИЕ И МЕТОДЫ ЗАЩИТЫ
^Всякий (любой) нежелательный для человека звук является шумом.
Интенсивное шумовое воздействие на организм человека неблагоприятно
влияет на протекание нервных процессов, способствует развитию утомления,
изменениям в сердечно-сосудистой системе и появлению шумовой патологии,
среди многообразных проявлений которой ведущим клиническим признаком
является медленно прогрессирующее снижение слуха л
Обычные промышленные шумы характеризуются хаотическим сочетанием
различных звуков. В производственных условиях источниками шума являются
работающие станки и механизмы, ручные, механизированные и
пневмоинструменты, электрические машины, компрессоры, кузнечно-прессовое, подъемно-транспортное, вспомогательное оборудование (вентиляционные установки, кондиционеры) и т.д.
В качестве звука человек воспринимает упругие колебания, распространяющиеся в виде волн в твердой, жидкой или газообразной средах. Звуковые
колебания характеризуются скоростью их распространения с и частотой f.
Скорость звука связана с длиной волны и частотой:
где с - скорость звука, м/с; Я - длина волны, м; f- частота, Гц (с1).
Например, скорость распространения звуковых волн составляет в:
Человеческое ухо воспринимает как слышимые звуковые колебания с
частотой f = 16 (20) - 20000 Гц. Колебания с частотой ниже 16 (20) Гц (инфразвук) и выше 20000 Гц (ультразвук) не воспринимаются (не слышатся)
органами слуха, хотя и оказывают вредное влияние на организм человека.
Наиболее чувствительно ухо к колебаниям в диапазоне частот от 50 до 5000
Гц, что в основном соответствует диапазону человеческого голоса.
При распространении звуковой волны происходит перенос энергии.
Средний поток энергии в какой-либо точке среды в единицу времени, отне-
154
сенный к единице поверхности, нормальной к направлению распространения
волны, называется интенсивностью звука в данной точке - I, Вт/м2.
Колебательные движения упругой среды создают колебания давления,
которые ухо воспринимает как звук. Интенсивность звука связана со звуковым давлением зависимостью
где р- плотность среды (газа); с - скорость распространения звука (волны); р звуковое давление; рс - удельное акустическое сопротивление среды, равное
для воздуха 41, для воды - 1,5х105, для стали - 4,8х106 МПа с/м.
Человеческое ухо воспринимает шум со звуковым давлением р0 = 2x10"5 Па
при f = 1000 Гц - порог слышимости, р = 2x102 Па - порог болевого ощущения.
Интенсивность звука, соответствующая порогу слышимости, при f = 1000 Гц
составляет !0 = 10~12 Вт/м2, а соответствующая порогу болевого ощущения I =
102 Вт/м2.
Для характеристики акустических явлений принята специальная измерительная система интенсивности звука и звукового давления, учитывающая
приближенную логарифмическую зависимость между раздражением и
слуховым восприятием, а именно шкала логарифмических единиц - децибелов
(дБ), в которых измеряют уровни I и р.
Уровень интенсивности звука определяется как
а уровень звукового давления по формуле
Подставив значения порога слышимости и порога болевого ощущения в
эти формулы, получим, что изменение I и р составляет всего 140 дБ.
Шум, являющийся сложным звуком, можно разложить на простые составляющие, графическое изображение которых называется спектром. Спектр
шума может быть различным. По характеру спектра шумы подразделяются на
широкополосные и тональные. По величине интервалов между
составляющими его звуками различают шум дискретный (линейчатый) с
большими интервалами, сплошной с бесконечно малыми интервалами и
смешанный, характеризующийся отдельными пиковыми дискретными со-
155
ставляющими на фоне сплошного спектра (рис. 8.1). Производственные
шумы чаще всего имеют смешанный спектр [1].
Р и с . 8.1. Типы шумовых спектров: а - дискретный (линейчатый); б сплошной, в - смешанный
По частоте шумы подразделяются на низкочастотные, если максимальные
уровни звукового давления лежат в области низких частот (до 350 Гц),
среднечастотные (максимум в диапазоне частот 350...800 Гц) и высокочастотные (максимум выше 800 Гц).
По временным характеристикам шумы делятся на постоянные и непостоянные.
К постоянным относятся шумы, уровни звука которых за восьмичасовой
рабочий день изменяются во времени не более чем на 5 дБА (уровень звука
измеряется шумомером по шкале А). Непостоянные шумы делятся на
колеблющиеся во времени, прерывистые и импульсные. К колеблющимся
шумам относятся такие, уровни звука которых непрерывно меняются во
времени. К прерывистым относятся шумы, уровни звука которых меняются
ступенчато на 5 дБ и более. К импульсным относятся шумы, состоящие из
одного или нескольких звуковых сигналов, каждый из которых имеет длительность менее 1 с. Наибольшую опасность для человека представляют
тональные высокочастотные непостоянные шумы.
Любой источник шума характеризуется звуковой мощностью, которая
определяет общее количество звуковой энергии, излучаемой источником в
окружающее пространство за единицу времени. Мощность звука связана с
интенсивностью следующей зависимостью:
где S - поверхность сферы, в центре которой находится источник шума.
Уровень акустической мощности источника шума равен:
156
где w0 - условный порог акустической мощности (W0 = Ю"12 Вт).
in
Если в производственном помещении находится п одинаковых источников
шума, равноудаленных от расчетной точки и обладающих одинаковым
уровнем шума L, то общий уровень (в дБ) будет определяться как
L^ =L1 + 10 Ign
(8.7)
где Li - уровень шума одного источника, дБ; л - число источников.
Из формулы 8.7 видно, что два одинаковых источника создадут суммарный
уровень всего на 3 дБ больший, чем каждый из них (так как 10х!д2 = = 10x0,3 =
3); 10 источников - на 10 дБ; 100 источников на 20 дБ и т.д.
На производстве такое условие часто невыполнимо, поскольку износ
технологического оборудования неодинаков (например, цикличность подачи
сжатого воздуха для продувки секций рукавных фильтров различна), поэтому
расчет Ц ведут по другой формуле (в дБ):
L2 = 10 lg(10Ll/1° +10L2/1°+...+10Ln/1°),
(8.8)
где Lh L2t Ln - уровни звукового давления, создаваемого источниками в
расчетной точке.
При измерении и анализе шумов, а также при проведении акустических
расчетов спектры (рис. 8.1) оценивают в октавных или третьеоктавных диапазонах. Полоса частоты, в которой верхняя граничная частота f2 в 2 раза
больше нижней fb называется октавной, т.е. f2/fi = 2. Для третьеоктавной
полосы f2 /t| = $2 = 1,26 . В качестве частоты, характеризующей полосу в
целом, берется среднегеометрическая полоса fcp = ^/ffo. Среднегеометрические частоты октавных полос стандартизированы и составляют 63, 125,
250, 500, 1000, 2000, 4000 и 8000 Гц при соответствующих им граничных
частотах 45-90; 90-180; 180-355; 355-710; 710-1400; 1400-2800; 2800-5600 и
5600-11200.
Нормирование допустимых уровней звукового давления производится для
каждой октавной полосы частот в соответствии с рекомендациями [1- 6]. Этот
стандарт предусматривает дифференцированный подход с учетом характера
производственной деятельности в условиях шума (умственный труд,
нервно-эмоциональные нагрузки, физический труд и т.д.). Учитывается и
характер действующего шума (тональный, импульсный, постоянный и др.) и
длительность воздействия шумового фактора при расчете эквивалентных
уровней для непостоянных шумов.
Совокупность восьми нормативных уровней звукового давления на разных
среднегеометрических частотах называется предельным спектром (ПС).
Каждый из спектров имеет свой индекс ПС (например ПС-80, где
цифра 80 - нормативный уровень звукового давления (в дБ) в октавной
полосе cf = 1000 Гц).
157
Некоторые нормированные ГОСТом параметры для широкополосного
шума приведены в т а б л . 8.1. Для ориентировочной оценки допускается за
характеристику постоянного шума на рабочем месте принимать уровень
звука (дБА), измеряемой по шкале А шумомера. Самые жесткие нормы шума
(см. п р и л о ж е н и е 8.1) в настоящее время действуют в России, а
наиболее мягкие в США. Чтобы осознать эти значения, необходимо помнить,
что звук березовой рощи и пение птиц составляет 35-45 дБА.
Таблица 8.1
Допустимые уровни звукового давления, уровни звука и эквивалентные
уровни звука для широкополосного шума
Рабочее место
Уровни звукового давления (в дБ) в октавных полосах
Уровни звука и
со среднегеометрическими частотами, Гц
эквивалентные
уровни звука,
дБА
125
250
500
1000
2000
4000
8000
Помещения
конст- 71
рукторских бюро, программистов
вычислительных машин, лабораторий теоретических
исследований и т.п.
81
54
49
45
42
40
38
50
Помещения управле- 79
ния, рабочие комнаты
Помещения
лабора- 94
торий экспериментальных исследований
Постоянные рабочие 99
места и рабочие зоны в
производственных помещениях и на территории предприятий
70
68
58
55
52
50
49
60
87
82
78
75
73
71
70
80
92
86
83
80
78
75
74
85
63
Для шума, создаваемого в помещениях установками кондиционирования
воздуха, вентиляции и воздушного отопления, а также в случае тонального
или импульсного шума допустимые уровни на рабочих местах следует
принимать на 5 дБ ниже значений, указанных в табл. 8.1. Уровень звука в
дБА связан с ПС зависимостью
дБА = ПС + 5 дБ.
(8.9)
Кроме характера выполняемых работ учитывают и длительность воздействия шума [2]. В этом случае при воздействии широкополосного шума
от 0,25 до 4 ч допустимые уровни могут быть увеличены на 20 дБ, а при
воздействии тонального или импульсного (0,25-1,5 ч) - на 15 дБ.
М е т о д ы з а щ и т ы о т шума [5]:
158
1. Уменьшение шума в источнике возникновения:
1.1. Замена ударных механизмов безударными.
1.2. Замена возвратно-поступательных движений вращательными.
1.3. Замена подшипников качения на подшипники скольжения.
1.4. Совершенствование кинематических схем.
1.5. Применение пластмассовых деталей.
1.6. Использование глушителей из звукопоглощающего материала.
1.7. Виброизоляция шумных узлов и частей машин.
1.8. Покрытие издающих шум поверхностей вибродемпфирующим материалом.
1.9. Статическая и динамическая балансировка.
2. Уменьшение шума методами:
2.1. Звукопоглощение: метод основан на поглощении звуковой энергии
волн, распространяющихся по воздуху звукопоглощающими материалами,
которые трансформируют ее в тепловую.
Звукопоглощающие материалы и конструкции подразделяются на:
- волокнисто-пористые поглотители (войлок, минеральная вата, фетр,
акустическая штукатурка и др.);
- мембранные поглотители (пленка, фанера, закрепленные на деревянные обрешетки);
- резонаторные поглотители (классический резонатор Гельмгольца);
- комбинированные поглотители. С
Звукопоглощающие свойства материалов определяются коэффициентом
звукопоглощения а, равным отношению количества поглощенной звуковой
энергии Епогл. к общему количеству падающей энергии Епад.
погл t причем при a = 0 вся звуковая энергия отражается без пад
поглощения; при а = 1 вся энергия поглощается (р и с. 8.2 и т а б л . 8.2).
а=
Таблица 8.2
Звукопоглощение конструкционными материалами (элементами)
Конструкционный материал
(элемент)
Бетон
Стекло
Дерево
Войлок
Открытое окно
159
Коэффициент
звукопоглощения,
а
0,015
0,02
0,1
0,3-0,5
1,0
Р и с . 8.2. Схема поглощения (отражения) звуковой энергии в листовом
конструкционном материале
Звукопоглощение в помещении определяется по формуле:
где А1 - полное звукопоглощение в помещении до установки облицовки,
м2(Ат = анеобл xSn0B. м2; принимается ане0бл = 0,1); А2 - эквивалентная площадь
поглощения после установки облицовки, м2 (А2 = Ai + ДА, где ЛА добавочное поглощение, вносимое облицовкой). Тогда величина снижения
шума составит
2.2. Звукоизоляция: метод основан на отражении звуковой волны, падающей на ограждение (экран). ;
160
S)
Р и с . 8.3. Пути проникновения шумов
а) 1 - источник шума, 2- источник вибраций; I - воздушный шум; II - структурный шум.
б) 1, 2 - звуки, распространяющиеся по воздуху (воздушные звуки или шумы); 3 - энергия
упругих колебаний распространяется по строительным конструкциям и излучается в виде шума
(структурные или ударные звуки, шумы); /- шумное помещение; II- тихое помещение
Звукоизолирующие свойства ограждения (экрана) характеризуются коэффициентом звукопроницаемости т, представляющим собой отношение
звуковой мощности Рпрош к падающей Рпад
Звукоизолирующая способность конструкции выражается величиной
3. Увеличение расстояния от машин (аппаратов), производящих сильный
шум
Суммарный уровень шума от источника на расстоянии г в свободном
пространстве
где г- расстояние от источника звука, м; L0 - уровень шума источника, дБ.
4. Индивидуальные средства защиты
Суммарный уровень шума можно снизить на 5-20 дБ за счет использования
различных противовоздушных вкладышей для ушных раковин человека:
беруши, вата, губка и др. При уровне шума выше 120 дБ применяются
наушники (антифоны) и специальные шлемы. Существуют шумопогло-
161
щающие кабины, и внедряется дистанционное управление сверхшумными
процессами или испытаниями.
Вышеизложенное позволяет прогнозировать дальнейшее снижение шума
на производственных площадках и, соответственно, в населенных пунктах.
При достижении определенных минимальных уровней шума отмечено, что
дальнейшее его снижение дается с большим трудом, а затраты на каждый
последующий снижаемый децибел могут быть сравнимы с затратами на 5-10
дБ предыдущих [7].
Борьба с акустическими загрязнением биосферы будет определяться в
первую очередь экономическими затратами,
***
П Р И Л О Ж Е Н И Е 8.1
Нормы шума на рабочих местах [7]
Страны
Допустимый уровень шума,
ДВА
Австралия, Финляндия, Франция,
Германия, Венгрия, Израиль, Италия, Норвегия, Испания, Швеция,
Англия
85
Китай
Канада
Россия
США
Рекомендации рабочей
Европейской комиссии
группы
70-80
85-90
80
90
85
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Охрана труда и экологическая безопасность в химической промышленности
/АС. Бобков и др. М.: Химия, 1997. 400 с.
2. Липунов А.Г., Погорелое В.Н., Подгорных Е.А. Охрана труда. М.: ИЦ «Витязь»,
1996. 240 с.
3. ГОСТ 12.1.003-83. Шум. Общие требования безопасности.
4. ГОСТ 12.1.001-83. Ультразвук. Общие требования безопасности.
5. ГОСТ 12.1.029-80. Средства и методы защиты от шума. Классификация.
6. СН № 3223-85 Санитарные нормы допустимых уровней шума на рабочих
местах.
7. Иванов
Н.И.
Проблемы
акустического
загрязнения
окружающей
среды//Эколо- гия и промышленность России. 1998. Август. С. 30.
162
Лекция 9. ВИБРАЦИЯ: МЕХАНИЗМ ЯВЛЕНИЯ, НОРМИРОВАНИЕ И МЕТОДЫ
ЗАЩИТЫ
9.1. Механизм явления. Воздействие на организм человека
Под вибрацией понимают механические, часто синусоидальные, колебания системы с упругими связями, возникающие в машинах и аппаратах
при периодическом смещении центра тяжести какого-либо тела от положения равновесия, а также при периодическом изменении формы тела, которую оно имело в статическом состоянии. Чаще всего такое колебательное
движение происходит из-за неуравновешенных силовых воздействий:
дисбаланс вращающихся частей, инерционное возбуждение при работе
возвратно-поступательных механизмов, ударные процессы и др. <
Н а р и с . 9.1 показана простейшая колебательная система и кривая ее
колебаний. Если массу 2 вывести из состояния равновесия, система будет
совершать свободные или собственные колебания, то есть колебания под
действием своих собственных сил. Если же периодический возмущающий
фактор присутствует в течение всего времени, когда совершаются колебания, то они называются вынужденными\ Наиболее опасным моментом является совпадение частот собственных и вынужденных колебаний (явление
резонанса).
Вибрацию по способу передачи на человека (в зависимости от характера
контакта с источниками вибрации) п о д р а з д е л я ю т н а : местную
(локальную), передающуюся чаще всего на руки работающего, и общую,
передающуюся посредством вибрации рабочих мест и вызывающую сотрясение всего организма. В производственных условиях нередко имеет
место интегрированное действие местной и общей вибрации.
163
Длительное воздействие вибрации высоких уровней на организм человека
приводит к развитию преждевременного утомления, снижению производительности труда, росту заболеваемости и нередко к возникновению
профессиональной патологии - вибрационной болезни.
В зависимости от источника возникновения общая вибрация бывает:
транспортная, транспортно-технологическая и технологическая. Локальной
вибрации подвергаются люди, работающие с ручным механизированным
электрическим или пневматическим инструментом.
Спектры уровней колебательной скорости являются основными характеристиками вибраций. Они бывают (как и для шума) дискретными, сплошными и смешанными (см. рис. 8.1). По характеру спектра вибрация подразделяется на узкополосную и широкополосную; по частотному составу - на
низкочастотную с преобладанием максимальных уровней в октавных полосах 8 и 16 Гц, среднечастотную - 31,5 и 63 Гц, высокочастотную - 125, 250,
500, 1000 Гц - для локальной вибрации; для вибрации рабочих мест соответственно 1 и 4 Гц, 8 и 16 Гц, 31,5 и 63 Гц.
По временным характеристикам подразделяют вибрацию на постоянную,
для которой величина виброскорости изменяется не более чем в 2 раза (на 6
дБ) за время наблюдения не менее 1 мин, и непостоянную, для которой
величина виброскорости изменяется не менее чем в 2 раза (на 6 дБ) за время
наблюдения не менее 1 мин. Непостоянная вибрация в свою очередь
подразделяется на колеблющуюся во времени, прерывистую и импульсную.
Наиболее опасная частота общей вибрации лежит в диапазоне 6-9 Гц,
поскольку она совпадает с собственной частотой колебаний внутренних
органов человека (всего тела -6 Гц, для желудка ~8 Гц, для головы -25 Гц, для
центральной нервной системы -250 Гц). В результате может возникнуть
резонанс, который приведет к механическим повреждениям или разрыву
внутренних органов. В положении стоя это явление может возникнуть для
головы относительно основания, плечевого пояса, бедер при f = 4-6 Гц, а в
положении сидя - для головы относительно плеч - при f = 4-30 Гц. Для лежачего
человека область резонансных частот находится в интервале 3-3,5 Гц [1]. При
частоте больше 16-20 Гц вибрация сопровождается шумом. Шумовые
(звуковые) эффекты присутствуют также в инфразвуко- вом и ультразвуковом
диапазонах.
Основными параметрами, характеризующими вибрацию, являются:
частота f (Гц), амплитуда смещения Ат (м), скорость V (м/с) и ускорение ат
(м/с2), определяемые как
А = Ат sin (wt + ф),
(9.1)
V = 2jtfA, а = (2;tf)2A,
(9.2)
где со = 2itf - частота; <р - начальная фаза.
(9.3)
164
Весь спектр частот вибраций, воспринимаемых человеком, может быть
разделен (как и для шума) на октавные и третьоктавные полосы частот со
среднегеометрическими частотами октавных полос 1, 2, 4, 8, 16, 32, 63, 125,
250, 500,1000, 2000 Гц.
За нулевой уровень колебательной скорости принята величина V0= 5x10"8
м/с, соответствующая среднеквадратичной колебательной скорости при
стандартном пороге звукового давления, равном 2х10~5 Па.
Порог восприятия вибрации для человека значительно выше и равен 1x10"4
м/с. За нулевой уровень колебательного ускорения принимают величину а0=
ЗхЮ"4 м/с2. При колебательной скорости 1 м/с возникают болевые ощущения.
Относительные уровни виброскорости и виброускорения определяются по
формулам (дБ):
9.2. Методы защиты от вибрации. Нормирование
В настоящее время около 40 государственных стандартов регламентируют
технические требования к вибрационным машинам и оборудованию, системам
виброзащиты, методам измерения и оценки параметров вибрации.
Основными нормативными правовыми актами, регламентирующими
параметры производственных вибраций, являются документы [2-7]. Санитарно-гигиенические нормы регламентируют вибрации на рабочих местах в
производственных помещениях. Для наиболее распространенных в промышленности частот вибраций (15-100 Гц) амплитуды допустимых колебаний
изменяются от 0,03 до 0,003 мм.
Защита от вибраций должна начинаться с устранения их источника путем
совершенствования кинематических схем и улучшения работы механизмов
следующими методами:
Статическая и динамическая балансировка - устранение дисбаланса
вращающихся масс (деталей) оборудования.
Виброизоляция - снижение уровня вибрации путем уменьшения передачи
колебаний от источника колебаний к объекту. Ее осуществляют посредством
введения в колебательную систему дополнительной упругой связи,
препятствующей передаче вибраций от машины к основанию.
Показателем эффективности виброизоляции является коэффициент
передачи ц, который показывает, какая доля динамической силы, возбуждаемой машиной, передается через амортизаторы на основание:
165
Чем зто отношение меньше, тем лучше виброизоляция. Хорошая виброизоляция достигается при КП = 1/8-1/15. Коэффициент передачи может
быть рассчитан по формуле:
где f- частота вынужденных колебаний; f0 - частота собственных колебаний (f0
=—,/—); q - жесткость виброизоляторов (сила для их деформа2к V m
ции на единицу длины); т - масса агрегата.
При f = f0 наступает резонанс!
Амортизаторы бывают следующих типов: резиновые, пружинные, газовые, гидравлические, комбинированные и др.
В и б р о п о г л о щ е н и е и в и б р о г а ш е н и е . Вибропоглощение нанесение на вибрационную поверхность упруго- вязких демпфирующих
материалов, обладающим большим внутренним трением (резина, мастика,
пластики-см. п р и л о ж е н и е 9.1).
Виброгашение - создание добавочной колеблющейся системы с динамической частотой, равной частоте возмущающей силы, но с реакциями,
противоположными ей (р и с. 9.2).
Для снижения вибрации возможно применение ударных виброгасителей
маятникового, пружинного и плавающего типов, а также виброгасителей
камерного типа. Ориентировочно маятниковые ударные виброгасители
используют для гашения колебаний с частотой 0,4-2 Гц, пружинные - 2-10 Гц,
плавающие - выше 10 Гц.
Виброгасители камерного типа по конструкции аналогичны камерным
глушителям шума и устанавливаются на всасывающей и нагнетательной
стороне компрессоров и трубопроводов [8].
Динамическое виброгашение осуществляется также при установке агрегата
на массивном фундаменте.
Другим типом виброгасителей являются буферные емкости, служащие для
превращения пульсирующего потока газа в равномерный [9].
166
Индивидуальные средства защиты от вибраций:
обувь с амортизирующими подошвами (толстая мягкая резина), антивибрационные рукавицы, в которых амортизатором является прокладка из
специального поролона толщиной до 12 мм.
Для контроля уровня вибраций применяют виброметр ВМ-1, прибор
ВШВ-003 и др. приборы.
В программе мероприятий важная роль отводится разработке и внедрению
научно обоснованных режимов труда и отдыха. Например, суммарное время
контакта человека с вибрацией не должно превышать 2/3 продолжительности
рабочей смены. Рекомендуется устанавливать 2 регламентируемых перерыва
для активного отдыха, проведения физиопрофи- лактических процедур,
производственной гимнастики по специальному комплексу.
В п р и л о ж е н и и 9.2 приведено допустимое время воздействия локальной
и общей вибрации в зависимости от степени превышения ее параметров над
нормативными значениями [10].
*★*
П Р И Л О Ж Е Н И Е 9.1
Виды демпфирующих покрытий [8]
Покрытия
мастичные
Покрытия
г\ листовые
Коэффициент
потерь энергии
(для f = 1000 Гц)
Пластик №378
0,45
Пенопласт ПХВ-Э
0,85
Мастика А-2
Мастика ВД-17-58
0,40
0,44
Мастика ВД-17-59
Мастика ВД-17-63
Пластикат «Агат»
ВПМ-1
0,30 0,40
Волосяной войлок
Поролон
Минераловатная
плита
0,23
0,22
0,04
Губчатая резина
0,15
0,40
ВПМ-2
Антивибрит М
Адем-НШ
167
Коэффициент
потерь энергии
(для f = 1000 Гц)
0,46
0,18
0,22
0,20
0,25
Винипор технический
Радуга
Фольгоизол
0,30
0,27
ц
П Р И Л О Ж Е Н И Е 9.2
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Липунов А.Г., Погорелое В.Н., Подгорных Е.А. Охрана труда. М.: ИЦ «Витязь»,
1996.240 с.
2. СНиП № 3041-84. Санитарные нормы и правила при работе с машинами и
оборудованием, создающими локальную вибрацию, передающуюся на руки работающих.
3. СН № 3044-84. Санитарные нормы вибрации рабочих мест.
4. ГОСТ 12.4002-74. Средства индивидуальной защиты рук от вибрации. Общие
требования.
5. ГОСТ 12.4.024-76. Обувь специальная виброзащитная.
6. ГОСТ 12.1.012-78. Вибрация. Общие требования безопасности.
7. ГОСТ 12.1.043-84. Вибрация. Методы измерения на рабочих местах в производственных помещениях.
8. Охрана окружающей среды/Под ред. С.В. Белова. М.: Высшая школа, 1991. 319
с.
9. Безопасность жизнедеятельности/Под ред. О.Н. Русака. СПб.: ЛТА, 1997. 293 с.
10. Справочная книга по охране труда в машиностроении/Г.в. Бектобеков, Н.Н.
Борисова, В.И. Короткое и др. Л.: Машиностроение, 1989. 541 с.
Т е м а IV. НЕИОНИЗИРУЮЩИЕ И ИОНИЗИРУЮЩИЕ
ЗАГРЯЗНЕНИЯ (ИЗЛУЧЕНИЯ, ПОЛЯ) ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ:
МЕХАНИЗМ ЯВЛЕНИЯ, НОРМИРОВАНИЕ, БЕЗОПАСНЫЕ
ТЕХНОЛОГИИ И ЗАЩИТА
Лекция 10. НЕИОНИЗИРУЮЩИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ.
ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ БИОСФЕРЫ: ОПАСНОСТЬ, ОЦЕНКА,
ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ЗАЩИТЫ
С развитием электроэнергетики, радио- и телевизионной техники, средств
связи, электронной офисной техники, специального промышленного оборудования и др. появилось большое количество искусственных источников
электромагнитных полей (ЭМП), что обусловило интенсивное «электромагнитное загрязнение» среды обитания человека.
Длительное воздействие этих полей на организм человека вызывает
нарушение функционального состояния центральной нервной и сердечнососудистой систем, что выражается в повышенной утомляемости, снижении
качества выполнения рабочих операций, сильных болях в области сердца,
изменении кровяного давления и пульса.
10.1. Источники ЭМП
Электромагнитные поля окружают нас постоянно. Однако человек различает только видимый свет, который занимает лишь узкую полоску спектра
электромагнитных волн - ЭМВ (рис. 10.1). Глаз человека не различает ЭМП,
длина волны которых больше или меньше длины световой волны, поэтому мы
не видим излучений промышленного оборудования, радаров, радиоантенн,
линий электропередач и др. Все эти устройства, как и многие другие,
использующие электрическую энергию, излучают так называемые
антропогенные ЭМП, которые вместе с естественными полями Земли и
Космоса создают сложную и изменчивую электромагнитную обстановку.
169
По определению, электромагнитное поле - это особая форма материи,
посредством которой осуществляется воздействие между электрическими
заряженными частицами [1]. Физические причины существования ЭМП
связаны с тем, что изменяющееся во времени электрическое поле Е (В/м)
порождает магнитное поле И (А/м), а изменяющееся Н - вихревое
электрическое поле. Обе компоненты Е и Н, непрерывно изменяясь, возбуждают друг друга (рис. 10.2).
Р и с . 10.2. Две компоненты ЭМП (дальняязона излучения)
Векторы Е и Н бегущей ЭМВ в зоне распространения всегда взаимно
перпендикулярны. При распространении в проводящей среде они связаны
соотношением
где ш - частота электромагнитных колебаний; у - удельная проводимость
вещества экрана; р - магнитная проницаемость этого вещества; к - коэффициент затухания; R - расстояние от входной плоскости экрана до рассматриваемой точки [2].
ЭМП неподвижных или равномерно движущихся заряженных частиц неразрывно связано с этими частицами. При ускоренном движении заряженных
частиц ЭМП «отрывается» от них и существует независимо в форме
электромагнитных волн (не исчезая с устранением источника). Например,
радиоволны не исчезают и при отсутствии тока в излучившей их антенне.
Электромагнитные волны характеризуются длиной волны к. Источник,
генерирующий излучение, то есть создающий электромагнитные колебания,
характеризуется частотой f. Международная классификация электромагнитных волн по частотам приведена в т а б л . 10.1.
170
Международная классификация электромагнитных волн по частотам [1]
№ диапазона
Диапазон радиочастот
Границы
диапазона
Диапазон радиоволн
диапазона
1
Крайне низкие, КНЧ
3-30 Гц
Декамегаметровые
2
Сверхнизкие, СНЧ
Инфракрасные, ИНЧ
30-300 Гц
0,3-3 кГц
Мегаметровые
Гектокилометровые
Очень низкие, ОНЧ
Низкие частоты, НЧ
Средние, СЧ
Высокие частоты, ВЧ
Очень высокие, ОВЧ
Ультравысокие, УВЧ
Сверхвысокие, СВЧ
Крайне высокие, КВЧ
Гипервысокие, ГВЧ
3-30 кГц
30-300 кГц
0,3-3 МГц
3-30 МГц
30-300 МГц
0,3-3 ГГц
3-30 ГГц
30-300 ГГц
300-3000 ГГц
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Таблица
10.1
Границы
100-10 мм
10-1 мм
1000-100
км
Мириаметровые
100-10 км
Километровые
10-1 км
Гектометровые
1-0,1 км
Декаметровые
100-10 м
Метровые
10-1 м
Дециметровые
1-0,1 м
Сантиметровые
10-1 см
Миллиметровые
10-1 мм
Децимиллиметровы
1-0,1 мм
е
Особенностью ЭМП является его деление на «ближнюю» и «дальнюю»
зоны. На п р а к т и к е в «ближней» зоне - зоне индукции на расстоянии от
источника г < К ЭМП можно считать квазистатическим. Здесь оно быстро
убывает с расстоянием, обратно пропорционально квадрату г2 или кубу г3
расстояния. Поле в зоне индукции служит для формирования электромагнитной волны. «Дальняя» зона (г а 3^) - зона сформировавшейся электромагнитной волны, в которой интенсивность поля убывает обратно пропорционально расстоянию до источника г *1. Граница «ближней» и «дальней»
зоны представлена на р и с . 10.3 [1].
.
Р и с . 10.3 Ближняя и дальняя зоны ЭМП для различных частот
171
Согласно т е о р и и ЭМП «ближняя» (зона индукции) находится на расстоянии
- длина волны и определяется из соотношения
X т с / f, где с - скорость распространения волны (для вакуума или воздуха скорость света), f - частота электромагнитных колебаний. «Дальняя» зона, или
зона распространения (зона излучения) находится на расстоянии г > Ш [2].
В зоне индукции еще не сформировалась бегущая волна, вследствие чего
Е и Н не зависят друг от друга, поэтому нормирование в этой зоне ведется как
по электрической, так и по магнитной составляющей поля. Это характерно для
ВЧ-диапазона. В зоне излучения ЭМП характеризуется электромагнитной
волной, наиболее важным параметром которой является плотность потока
мощности (ППМ).
В «дальней» зоне излучения принимается Е = 377Н, где 377 - волновое
сопротивление вакуума, Ом. В российской практике санитарно-гигиенического надзора на частотах выше 300 Мгц в «дальней» зоне излучения обычно
измеряется плотность потока электромагнитной энергии (ППЭ) или плотность
потока мощности (ППМ) - S, Вт/м2. За рубежом ППЭ обычно измеряется для
частот выше 1 ГГц. ППЭ характеризует величину энергии, теряемой системой
за единицу времени вследствие излучения электромагнитных волн.
10.2. Природные (естественные) источники ЭМП
Природные (естественные) источники ЭМП делятся на 2 группы. П е р в а я
- поле Земли: постоянное (основное) магнитное поле (55,7-33,4 А/м, причем
напряженность геомагнитного поля убывает от магнитных полюсов к
магнитному экватору). Процессы в магнитосфере вызывают колебания
геомагнитного поля в широком диапазоне частот: от 10"5 до 102 Гц, амплитуда
может достигать сотых долей А/м. В т о р а я - радиоволны, генерируемые
космическими источниками (Солнце, галактики и др.). В силу относительно
низкого уровня излучения от космических радиоисточников и нерегулярного
характера воздействия их суммарный эффект поражения биообъектов
незначителен.
Человеческое тело также излучает ЭМП с частотой выше 300 ГГц с
плотностью потока энергии порядка 0,003 Вт/м2. Если общая площадь поверхности среднего человеческого тела 1,8 м2, то общая излучаемая энергия
составляет примерно 0,0054 Вт.
10.3. Антропогенные источники ЭМП
172
Антропогенные источники ЭМП в соответствии с международной классификацией также делятся на 2 группы. Первая - источники, генерирующие
крайне низкие и сверхнизкие частоты от 0 Гц до 3 кГц. Вторая - источники,
генерирующие от 3 кГц до 300 ГГц, включая микроволны (СВЧ-излу- чение) в
диапазоне от 300 МГц до 300 ГГц.
К п е р в о й г р у п п е относятся в первую очередь все системы производства, передачи и распределения электроэнергии.
Источником электрических полей промышленной частоты являются, например, токоведущие части действующих электроустановок: линии электропередач (ЛЭП), трансформаторные подстанции, электростанции, индукторы,
конденсаторы термических установок, фидерные линии, генераторы,
трансформаторы, электромагниты, соленоиды, электро- и кабельная проводки, металлокерамические магниты, офисная электро- и электронная
техника, транспорт на электроприводе и др. В различных технологиях
электромагнитная энергия высокочастотного (ВЧ) и сверхвысокочастотного
(СВЧ) диапазонов в основном используется для процессов электротермии, то
есть для нагрева материала в самом ЭМП. Данное направление является
перспективным, так как оно обеспечивает большие скорости и качество
обработки материалов, экологически и экономически эффективно. Это
объясняется тем, что в ЭМП разогрев материала на атомном и молекулярном
уровнях происходит во всем объеме сразу за счет электрических потерь, в то
время как температура окружающей среды остается практически без
изменения [2].
В т о р у ю г р у п п у составляют функциональные передатчики (коммерческие передатчики, радиотелефоны, направленная радиосвязь, навигация,
локаторы), различное технологическое оборудование, использующее
СВЧ-излучение, переменные (50 Гц - 1 МГц) и импульсные магнитные поля,
медицинские терапевтические и диагностические установки (20 МГц - 3 ГГц),
бытовое оборудование (СВЧ-печи), средства визуального отображения
информации на электронно-лучевых трубках (мониторы ПК, телевизоры и т.п.).
10.4. Нормирование ЭМП
Применение новых технологических процессов и радиоэлектронных
систем и устройств, излучающих электромагнитную энергию в окружающую
среду, создает и ряд трудностей, связанных с отрицательным воздействием
ЭМИ на организм человека. Установлено, что этот вид энергии воздействует
на весь организм в целом, вызывая его перегрев под влиянием переменного
поля, а также отрицательно влияет и на отдельные системы организма.
Данные об условиях облучения на рабочих местах некоторых специальностей
приведены в т а б л. 10.2.
173
Интенсивность ЭМИ на рабочих местах ряда специальностей [1]
Производственный процесс
Регулировка, настройка и
испытание комплекса РЛС в
выпускных цехах заводов и
ремонтных мастерских
Основные источники
излучения
Антенные системы
Регулировка, настройка и Антенные системы
испытание комплекса РЛС в
условиях полигона
Регулировка, настройка и Катодные выводы магиспытание отдельных СВЧ- нетрона, волноводо-коаксиальные переходы и др.
узлов, блоков и приборов
Научно-исследовательские
Антенные устройства,
работы
генераторные блоки, СВЧприборы и др.
Эксплуатация РЛС на аэ- Антенные системы
родромах гражданской авиации
Эксплуатация
СВЧ-аппа- Разные антенные сисратов в некоторых областях темы, генераторные блонародного хозяйства, в том ки, излучатели и др.
числе физиотерапевтические
кабинеты
Контрольно-измерительные Генераторные
блоки,
работы в экранированных по- разные антенные системы
мещениях
Таблица
10.1
Интенсивность
облучения
персонала, мкВт/см2
1000 и более
500 и более
до 1000
до 1000
100-1000
1-2000
5-50 (сложные ЭМП)
Нормирование ЭМИ проводится в соответствии с нормативными документами и справочными данными [3-6]. В т а б л. 10.3 приведены значения
допустимой напряженности Е и Н и энергетической нагрузки электромагнитного поля на рабочих местах и в местах возможного нахождения персонала, связанного профессиональное воздействием ЭМП. Указанные значения не должны превышаться в течение рабочего дня [5, 6].
Так, напряженность ЭМП радиочастот на рабочих местах не должна
превышать по электрической составляющей 20 В/м в диапазоне частот 100
кГц - 30 МГц и при f = 30-300 МГц; по магнитной составляющей предельная
напряженность НПред = 5 А/м при f = 100 кГц - 1,5 МГц. В диапазоне СВЧ f =
300-300000 МГц допустимая плотность потока мощности [ППМ] при
длительности облучения т0бл в течение всего рабочего дня составляет 10
мкВт/см2; при 50бл = 2 ч - 100 мкВт/см2; при т0бл = 15-20 мин - 1000 мкВт/см2
(при обязательном использовании защитных очков).
174
Предельно допустимые уровни напряженности и энергетической нагрузки
Таблица 10.1
ЭМП, мкВт/см2
Диапазон частот, МГц Допустимая напряженность Нормативная
поля
энергетическая
нагрузка,
электрическая, Вт/м
6х10*2-3 3-30
30-50 50-300
6х10"2~1,5
30-50
300-3x1О5
50 20 10 5
—
магнитная,
А/м
5
0,3
Дополнения
Втч/м2
(мкВтч/см2)
—
—
2 (200) 20
(2000)
20 (2000)
Допускается
превышение уровней в два раза при
времени воздействия не
более 0,5 рабочего дня
Кроме случаев облучения от вращающихся и
сканирующих антенн.
Облучение от вращающихся и сканирующих антенн с частотой 1 Гц и
скважностью не менее 50.
Последовательное или
одновременное облучение
в
непрерывном
или
прерывистом
(от
вращающихся и сканирующих
антенн) режимах.
Примечание: время воздействия - рабочий день.
В остальное рабочее время интенсивность облучения не должна превышать 10 мк Вт/см2.
В случае непрерывного облучения от вращающихся и сканирующих антенн ПДУ облучения составляет 100 мкВт/см2 при воздействии в течение 8
часов и 1000 мкВт/см2 при облучении до 2 ч/сут.
Для лиц, профессионально не связанных с облучением, и для населения в целом ППМ не должен превышать 1 мкВт/см2.
10.5. Основные виды средств коллективной и индивидуальной защиты от
ЭМП
175
В зависимости от условий воздействия ЭМП, характера и местонахождения
источника излучения могут быть использованы следующие способы и методы
защиты: защита временем и расстоянием, снижение интенсивности излучения
источника, экранирование источника, защита рабочего места от излучения,
применение средств индивидуальной защиты (СИЗ).
Защита временем
Способ применяется в тех случаях, когда отсутствует возможность
уменьшить напряженность (интенсивность) ЭМП до ПДУ. Допустимое время
(т) определяется как
где th(0,05r)1,2 - гиперболический тангенс.
Защита расстоянием (наиболее эффективный метод). Способ
используется, если нельзя снизить интенсивность облучения другими
методами. Является наиболее эффективным.
Для диапазона ДВ, СВ, KB и УКВ расстояние определяется как
где р - средняя выходная мощность, Вт; G - коэффициент направленности
антенны; Едоп,_ допустимая напряженность электрического поля, В/м.
Для диапазона СВЧ
Метод уменьшения мощности излучения
Осуществляется непосредственной регулировкой передатчика (генератора); его заменой на менее мощный применением специальных устройств аттенюаторов, которые поглощают, отражают или ослабляют передаваемую
энергию на пути от генератора к антенне.
Способы экранирования источника
Основными видами средств коллективной защиты (включая рабочие
места) являются экранирующие устройства - составные части электрической
установки, предназначенные для защиты персонала в открытых распределительных устройствах (ОРУ) и на воздушных линиях электропередач.
Конструктивно экранирующие устройства оформляются в виде козырьков,
навесов или перегородок из металлических канатов, прутков, сеток или
пластин из резины. Экранирующие устройства должны иметь антикоррозионное покрытие и быть заземлены.
Экраны бывают поглощающие или отражающие электромагнитную
энергию. Выбор конструкции экранов зависит от характера технологическо-
176
го процесса, мощности источника и диапазона волн. Коэффициент экранирования равен
экрана; ЕэиНэ-с экраном.
Наряду со стационарными и переносными экранирующими устройствами
применяют индивидуальные экранирующие комплекты (предназначены для
защиты от воздействия ЭМИ, напряженность которого не превышает 60 кВ/м,
создаваемого электроустановками напряжением 400, 500 и 750 кВ и частотой
50 Гц). В состав экранирующих комплектов входят: спецодежда из
металлизированной ткани, средства защиты головы, рук и лица.
10.6. Безопасность лазерного излучения
Особое место среди источников ЭМИ (ЭМП) занимают лазерные установки. В промышленности применяются лазерные установки, работающие в
диапазонах длин волн от ИК до рентгеновского (от 0,2 до 1000 мкм с большой
плотностью энергии). Лазерная технология, например, обработка материалов
лазерным излучением, позволяет осуществлять сварку материалов,
сверление, резку и т.д.
Благодаря своим уникальным свойствам (точная направленность луча,
когерентность, монохроматичность), эти устройства также широко используются в научных исследованиях: в физике, химии, биологии и др. и в практической медицине: хирургия, офтальмология и др.
Лазер (иначе ОКГ - оптический квантовый генератор) - это генератор
электромагнитного излучения оптического диапазона, основанный на использовании вынужденного (стимулированного) излучения. В нем происходит
преобразование различных видов энергии в энергию лазерного излучения.
Плотность мощности излучения лазерных установок достигает 1011-1014
Вт/см2, а для испарения большинства материалов достаточно 10э Вт/см2. Для
сравнения: плотность солнечного излучения 0,15-0,25 Вт/см2. Поэтому
серьезную опасность представляет не только прямое, но и диффузионно
отраженное лазерное излучение. Проявляются и сопутствующие факторы:
ЭМП, высокое напряжение, аэрозоли от возгона веществ в зоне действия луча
[7].
Существуют газовые лазеры, жидкостные и твердотельные (на диэлектрических кристаллах, стеклах, полупроводниках), которые в свою очередь
делятся на непрерывного и импульсного действия (моноимпульсного и импульсно-периодического). Классификация лазеров по степени опасности
генерируемого излучения, требования к конструкции лазерных установок и
технологическим процессам с использованием таких установок приведены
в [8].
177
В основу классификации лазеров положена степень опасности лазерного
излучения для обслуживающего персонала:
к л а с с I (безопасные) - выходное излучение не опасно для глаз; к л а с с И
(малоопасные) - опасно для глаз прямое или зеркально отраженное
излучение;
к л а с с III (среднеопасные) - опасно для глаз прямое, зеркально, а также
диффузионно отраженное излучение на расстоянии 10 см от отражающей
поверхности и (или) для кожи прямое или зеркально отраженное излучение;
к л а с с IV (высокоопасные) - опасно для кожи диффузионно отраженное
излучение на расстоянии 10 см от отражающей поверхности.
Биологические эффекты от действия луча лазера на живые ткани заключаются в термическом (тепловом), энергетическом, фотохимическом и
механическом воздействии, а также электрострикции и образовании в пределах клетки микроволнового ЭМП (ЭМИ). Эти воздействия нарушают жизнедеятельность как отдельных органов, так и организма в целом. Выделяют
два механизма: первичный и вторичный. Первичный механизм проявляется в
виде органических изменений в облучаемых тканях (ожоги). Вторичный
механизм проявляется как реакция организма на облучение (функциональные
расстройства центральной нервной и сердечно-сосудистой систем, изменения
в обмене веществ и др.).
В качестве приоритетных критериев при оценке степени опасности
генерируемого лазерного излучения приняты: энергия или мощность излучения, плотность энергии (мощности) излучения, длительность воздействия
излучения и длина волны [9].
Предельно допустимые уровни (ПДУ), требования к устройству, размещению и безопасной эксплуатации лазеров позволяют разрабатывать мероприятия по обеспечению безопасных условий труда при работе с ними.
Санитарные нормы и правила определяют величины ПДУ для каждого режима
работы, участка оптического диапазона по специальным формулам и
таблицам. Нормируется энергетическая экспозиция облучаемых тканей [Ю,
11].
Например, значения ПДУ энергетической экспозиции при облучении
ультрафиолетовой областью спектра приводятся в та б л . 10.4.
Таблица 10.4
ПДУ лазерного излучения [6]
Длина волны, мкм
ПДУ, Дж-см"2
0,200-0,210
1х108
0,210-0,215
1х10"7
0,215-0,290
1х10"6
0,290-0,300
1x10"5
0,300-0,370
1x10^
Св. 0,370
2x10"3
Предупреждение поражений лазерным излучением включает систему мер
инженерно-технического, планировочного, организационного и санитарно-гигиенического характера.
178
При использовании лазеров 11-111 классов в целях исключения облучения
персонала необходимо ограждение лазерной зоны или экранирование пучка
излучения. Экраны и ограждения должны быть огнестойкими, не выделять
токсичных веществ при нагреве и изготовлены из материалов с наименьшим
коэффициентом отражения. Лазеры IV класса опасности размещаются в
отдельных изолированных помещениях и обеспечиваются дистанционным
управлением. При размещении в одном помещении нескольких лазеров
следует исключить возможность взаимного облучения операторов,
работающих на аналогичных установках.
Для удаления возможных токсичных газов, паров и пыли оборудуется
приточно-вытяжная вентиляция. Для защиты от шума применяется звукоизоляция установок, звукопоглощение и др.
В качестве индивидуальных средств защиты используют очки со специальными стеклами - фильтрами, щитки, маски, халаты светло-зеленого или
голубого цветов [7].
Контроль уровней лазерного излучения производится в основном фотоэлектрическими приборами, например, «Измеритель-1» (для контроля плотности мощности и энергии отраженного лазерного излучения в диапазоне длин
волн 0,53; 0,63; 0,69 и 1,069 мкм) и ИЛД-2 (для измерения направленного и
отраженного излучения длиной волны 0,49-1,15 и 2-11 мкм).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Электромагнитное загрязнение окружающей среды и здоровье населения
России. М.: Фонд «Здоровье и окружающая среда», Российская ассоциация общественного здоровья, 1997. 91 с.
2. Охрана труда и экологическая безопасность в химической промышленности
/АС. Бобков и др. М.: Химия, 1997. 400 с.
3. Санитарные нормы и правила при работе с источниками электромагнитных
полей высоких, ультравысоких и сверхвысоких частот.
4. ГОСТ 12.1.002-84, Допустимые уровни воздействия на работников и
требования к проведению контроля на рабочих местах для электрических полей
промышленной частоты.
5. ГОСТ 12.1.006-84. Допустимые уровни воздействия на работников и требования к проведению контроля на рабочих местах для электромагнитных полей радиочастот.
6. Справочная книга по охране труда в машиностроении/Г.В. Бектобеков и др.
Л.: Машиностроение, 1989. 541 с.
7. Нейман Л.А. Безопасность жизнедеятельности: теория, вопросы и ответы. М.:
Вузовская книга, 1997 142 с.
8. ГОСТ Р 50723-94. Классификация лазеров, требования к конструкции и к техпроцессам.
9. ГОСТ 15093-90. Параметры лазерного излучения.
10. СанПиН 5804-91. Санитарные правила и нормы при работе с лазерами.
11. СНиП 2392-81 Санитарные нормы и правила устройства и эксплуатации лазеров.
179
Лекция 11. ИОНИЗИРУЮЩИЕ ПОЛЯ И ИЗЛУЧЕНИЯ: ОПАСНОСТЬ, ОЦЕНКА,
ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ЗАЩИТЫ.
БЕЗОПАСНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
11.1. Электростатические поля и загрязнение биосферы
Статическое электричество - это процесс образования, сохранения и
разделения свободного электрического заряда на поверхности и в объеме
диэлектрических и полупроводниковых веществ и материалов или на изолированных проводниках [1].
Экспериментально установлено, что положительные заряды скапливаются
на поверхности того из двух соприкасающихся (трущихся) веществ,
диэлектрическая проницаемость которого больше. Если соприкасающиеся
вещества имеют одинаковую диэлектрическую проницаемость, то электрические заряды не возникают.
При статической электризации напряжение относительно Земли достигает
десятков, а иногда и сотен тысяч вольт. Значения токов при явлениях
статической электризации составляют доли ампера (10~7-10~3 А).
Явление статической электризации наблюдается в следующих основных
случаях: в потоке и при разбрызгивании жидкостей; в струе газа или пара; при
соприкосновении и последующем разделении двух твердых разнородных тел
(контактная электризация). Эти случаи являются базовыми для таких
технологических процессов, как сушка в кипящем слое, пневмо- сушка и
пневмотранспорт газов, паров и пыли, размол, дробление и рассев, слив,
налив, перекачка, размешивание и фильтрование электризующихся
жидкостей, подача мономеров и легковоспламеняющихся жидкостей (ЛВЖ) в
полимеризаторы и др. Опасность возникновения статического электричества
проявляется в возможности образования электрической искры (пожарная
опасность) и вредном действии его на организм человека, причем не только
при непосредственном контакте с зарядом, но и за счет действия
электрического поля Е, возникающего вокруг заряженных поверхностей. У
людей, работающих в зоне воздействия электростатического поля,
встречаются разнообразные жалобы: на раздражительность, головную боль,
нарушение сна, снижение аппетита и др. Легкие «уколы» и «пощипывания»
при работе с сильно наэлектризованными материалами негативно влияют на
психику рабочих, а в определенных ситуациях могут вызвать шоковое
состояние. При постоянном прохождении через тело человека малых токов
электризации возможны неблагоприятные физиологические изменения в
организме, приводящие к профзаболеваниям.
Вследствие этого в соответствии с [2, 3] введены допустимые уровни
напряженности электростатических полей Е д.. Данный уровень устанавливается равным 60 кВ/м в течение 1 ч. Для Е < 20 кВ/м время пребывания в
электростатических полях не регламентируется. Для Е = 20-60 кВ/м допустимое время пребывания персонала в электростатическом поле без
средств защиты зависит от конкретного уровня напряженности на рабочем
месте и определяется по формуле:
прв
180
ы
с
л
182
где Ефакт - фактическое значение напряженности поля, кВ/м.
Основная величина, характеризующая способность различных материалов проводить ток, а также определяющая их способность к электризации удельное электрическое сопротивление р (Омм).
В соответствии с [4] все вещества и материалы в зависимости от величины
р (pv - объемное, ps - поверхностное) подразделяются на диэлектрические (р >
108 Омхм), антистатические (р = 105-108 Омхм) и электропроводящие (р < 105
Омхм). В соответствии с этими Правилами pv и ps должны указываться в
технологическом регламенте, а также в исходных данных при проектировании
любого технологического процесса. Для практических целей необходимо
брать их максимальные значения или определять экспериментально для
каждого конкретного продукта.
Меры защиты от статического электричества направлены на предупреждение возникновения и накопления зарядов статического электричества,
создание условий рассеивания зарядов и устранение опасности их вредного
воздействия [5].
Основные методы и средства защиты от статического электричества
представлены на р и с. 11.1 (по А.С. Бобкову).
11.2. Радиационное излучение и загрязнение биосферы
Введение в радиоэкологию (на примере ядерной энергетики)
Среди опасностей, угрожающих человеку, особо необходимо выделить
ионизирующую радиацию, в частности, техногенную составляющую. Главными источниками ионизирующих излучений и радиоактивного загрязнения
(заражения) являются предприятия ядерного топливного цикла: атомные
станции (реакторы, хранилища отработанного ядерного топлива, хранилища
отходов); предприятия по изготовлению ядерного топлива (урановые рудники
и гидрометаллургические заводы, предприятия по обогащению урана и
изготовлению тепловыделяющих элементов - ТВЭлов); предприятия по
переработке и захоронению радиоактивных отходов (радиохимические
заводы, хранилища отходов); исследовательские ядерные реакторы,
транспортные ядернохимические установки и военные объекты. Сведений о
влиянии радиоактивных осадков на биологические объекты пока недостаточно. Особенно много дискуссий и акций протеста возникает по поводу
атомной энергетики. Обеспокоенность населения резко обострилась после
аварии на Чернобыльской АЭС (26 апреля 1986 г.).
Приводятся аргументы в пользу замедления или приостановления развития ядерной энергетики на том основании, что на период до начала массового использования термоядерных реакторов хватит источников обычного
топлива. Термоядерные реакторы относят при этом к более экологически
чистым системам, чем ЯЭУ - ядерные энергетические установки [6].
183
Однако только атомная энергетика может дать реальный выход из энерго-экологического тупика, возникающего при использовании основных источников энергии (нефть, природный газ, уголь): парниковый эффект, увеличение среднегодовой температуры на Земле, потребление кислорода из
атмосферы и др. При делении ядерного горючего 80% образующейся энергии
превращается в тепло, а 20% выделяется в виде радиоактивных излучений.
Это радиоактивные изотопы в воде (натрий-24), продукты коррозии
(марганец-54, железо-55), осколки деления урана от цинка до гадолиния (200
изотопов: цезий-137, ксенон-133, йод-131, молибден-99, цирконий-95,
уран-235 и др.).
Действительно, ядерное топливо при горении не потребляет кислород, а
выделение углекислого газа происходит в небольших количествах на
предприятиях при производстве урана. Следовательно, не происходит усиления парникового эффекта в атмосфере и заметных климатических изменений. Технология производства тепла и электроэнергии из ядерного топлива
хорошо разработана и экономически конкурентоспособна по сравнению с
технологиями на ископаемом (природном) топливе. Уникальной особенностью
ядерного топлива является возможность его воспроизводства, то есть
искусственная наработка нового ядерного топлива в реакторе [7]. Ядерные
электростанции в нормальном режиме производства электроэнергии
обеспечивают наибольшую экологическую чистоту. В то же время они могут
представлять огромную опасность для окружающей среды в случае тяжелых
аварий. Таким образом, ставится задача создания таких систем, которые не
допускали бы возникновения тяжелых аварий и локализовали бы внутри
аппарата последствия менее серьезных аварий. В свою очередь, все это
заставляет разрабатывать новые конструкционные материалы и топливные
композиции или искать технические решения для расширения рабочих
температурных интервалов существующих.
В отличие от других способов получения энергии в процессе работы ЯЭУ
остаются экологически более опасные отходы в виде выгоревшего топлива с
высокой долгоживущей радиоактивностью. Отсюда вытекают задачи по
оптимизации топливного цикла ЯЭУ, способов переработки облученного
топлива и обращения с полученными при этом радиоактивными отходами.
О механизме излучений
Согласно определениям атомной физики и радиоэкологии, атомы, имеющие ядра с одинаковым числом протонов, но различающиеся по числу
нейтронов, относятся к разновидностям одного и того же химического элемента и называются изотопами. Ядра всех изотопов образуют группу «нуклидов». Большинство нуклидов нестабильны, они все время превращаются в
другие нуклиды. Сложные процессы, происходящие внутри атома, сопровождаются высвобождением энергии в виде излучения. Процесс самопроизвольного распада нуклида называется радиоактивным распадом, а
184
сам такой нуклид - радионуклидом. Ионизирующее излучение делится на
корпускулярное (альфа, бета, нейтронное) или фотонное (рентгеновское,
гамма).
Испускание ядром двух протонов и двух нейтронов - это а-излучение,
испускание электронами (позитронами) - р-излучение, испускание порции
квантовой энергии перевозбужденным нестабильным нуклидом - у-излучение (у-квант). Иными словами, а-частицы представляют собой поток ядер
гелия. Их энергия лежит в пределах 3-9 МэВ (1эВ = 1,бх10"19 Дж). Пробег
такой частицы в воздухе 8-9 см, а в мягких биологических тканях - десятки
микронов, р-частицы - это поток электронов или позитронов, возникающих
при радиоактивном распаде. Их энергия находится в диапазоне 0,0005-3,5
МэВ. Ионизирующая способность ниже, а проникающая - выше, чем у ачастиц. Максимальный пробег в воздухе - 1,8 м, в тканях - 2,5 см. Гаммалучи - результат высокочастотного электромагнитного излучения, возникающего в процессе ядерного распада. Эти лучи обладают большой проникающей способностью и малым ионизирующим действием. Энергия их
лежит в пределах 0,01-3 МэВ.
Вышеуказанные
излучения,
таким
образом,
характеризуются
ионизирующей и проникающей способностью. Эти свойства и определяют
их воздействие на биологические объекты.
В т а б л . 11.1 приведены некоторые свойства излучений [8].
Таблица 11.1
Основные свойства а-, |3- и у-излучений естественных радиоактивных
веществ
Излучение
Природа
а
Ион Не+++
Р
Электрон
У
Электромагнитное
излучение
Электрический Ионизирующая
заряд
способность
+
—
Нейтральное
Проникающая
способность
Очень
высокая
Низкая: 0,1 мм воды,
лист бумаги
Высокая
Высокая: до 0,5 мм
алюминия
Очень высокая: до
нескольких сантиметров свинца
Низкая
Действие радиации на человека
Биологическое действие ионизирующего излучения заключается в том,
что поглощенная энергия расходуется на разрыв химических связей и разрушение клеток живой ткани. Облучение кожи в зависимости от величины
дозы вызывает разной степени ожоги, а также может наносить серьезные
отдаленные последствия: перерождение кровеносных сосудов, возникновение хронических язв и раковых опухолей со смертельным исходом через
6-30 лет. Смертельная доза у-излучения считается равной 600±100 Р. Так
называемая смерть под лучом наступает при дозе около 200000 Р. Доказа-
185
но, что облучение может иметь генетические последствия, вызывать мутации. При дозах внешнего облучения не более 25 бэр никаких изменений в
организмах и тканях человека не наблюдается.
Некоторые сведения об эффектах внешнего воздействия ионизирующих
излучений приведены в т а б л . 11.2 [8].
Таблица 11.2
Некоторые эффекты внешнего воздействия ионизирующих излучений
на человека
Условия облучения
Доза (накопленная) или
мощность дозы
Эффект
Однократное
острое, Любая доза, отличная Увеличение риска отдаленпролонгированное, дроб- отО
ных последствий и генетиченое, хроническое - все
ских нарушений
виды
Хроническое в течение 0,1 Зв (10 бэр) в год и Снижение неспецифической
ряда лет
резистентности организма
более
0,5 Зв (50 бэр) в год и Специфические проявления
лучевого воздействия, снижеболее
ние иммунореактивности, катаракта (при дозах более 30
бэр)
Острое однократное
1,0 Зв (100 бэр) и более Острая лучевая болезнь разной степени тяжести
4,5 Зв (450 бэр) и более Острая лучевая болезнь со
смертельным исходом у 50%
облученных
Пролонгированное, 1-2 10,0 Зв (1000 бэр) и Гипофункция
щитовидной
месяца, на щитовидную более
железы, возрастание риска разжелезу
вития опухолей (аденом и рака)
с вероятностью около 1x10"2
При внутреннем облучении опасны все виды излучения, так как действуют непрерывно и практически на все органы.
Внутреннее облучение вызывается источниками, входящими в состав
организма или попавшими в него с воздухом, водой или пищей, во много раз
опаснее, чем внешнее, при тех же количествах радионуклидов, так как:
1. Время облучения увеличивается и совпадает со временем пребывания радиоактивного вещества в организме; такие вещества, как 226Ra или
239Ри, из организма практически не выводятся, и облучение длится всю
жизнь.
2. Доза облучения резко возрастает из-за бесконечно малого расстояния
до ионизируемой ткани.
186
3. Отсутствует защитное действие кожного покрова; а-частицы из полностью безопасных при внешнем облучении становятся наиболее опасными.
4. Нельзя использовать методы защиты, разработанные для внешнего
облучения.
При внешнем облучении а- и р-частицы из-за малой проникающей способности вызывают в основном поражения кожи, у-излучение может вызвать гибель организма при отсутствии внешних изменений кожных покровов [9].
Оценка и нормирование радиоактивного излучения
Для количественной оценки облучения населения и производственного
персонала существуют следующие величины: активность радиоактивного
вещества, поглощенная доза, эквивалентная доза, эффективная ожидаемая доза, эффективная доза, коллективная эффективная доза.
В соответствии с [10, 11] все население делится на 2 категории: 1. Персонал, непосредственно работающий с источниками излучения; 2. Все население (включая 1 категорию вне сферы производственной деятельности).
Персонал в свою очередь делится на 2 группы: А - работающие с источниками излучения и Б - по условиям работы находящиеся в сфере их
воздействия.
Для каждой категории облучаемых лиц установлено 3 класса нормативов: основные дозовые пределы, допустимые уровни и контрольные уровни
(устанавливаются администрацией учреждения по согласованию с органами Госкомсанэпиднадзора).
В т а б л . 11.3 представлены основные дозовые пределы [10].
Таблица 1 1 3
Основные дозовые пределы
Нормируемые величины
Дозовые пределы, мЗв
Персонал (группа А)
Эффективная доза
Население
20 мЗв/год в среднем за 1 мЗв/год в среднем за
любые
последователь- любые
последовательные 5 лет, но не более 50 ные 5 лет, но не более 5
мЗв/год
мЗв/год
Эквивалентная доза за год в:
хрусталике
коже
кистях и стопах
150
500
500
15
50
50
Превышение допустимых и контрольных уровней является порогом
ухудшения радиационной обстановки и сигналом к принятию соответствующих мер безопасности.
187
Расчетные уровни индивидуального радиационного риска, соответствующие установленным нормами радиационной безопасности пределам доз
облучения, представлены в т а б л. 11.4 [12].
Таблица 11.4
Уровни индивидуального радиационного риска, соответствующие
установленным пределам доз
Категория лиц,
подвергающихся
облучению
Персонал
Отдельные лица
из населения
Уровень дозы
Риск соматико- Риск генетических Общий риск в год
стохастических последствий в год
последствий в год
Предел дозы,
0,05 Зв
6,25x10"4
2x10^
8.25Х10"4
Средняя доза
при установленном пределе,
0,005 Зв
Предел дозы,
0,005 Зв
Средняя доза
при установленном пределе,
0,0005 Зв
6,25x10-5
2x10'5
8,25x10"5
6,25x10'5
2x10"5
8,25x1 О*5
6,25x10"6
2x10^
8,25x10*®
При сочетании внешнего, внутреннего облучения и поступления нескольких радионуклидов в организм должно выполняться условие безопасности
где Д31 - эквивалентная доза /-го излучения на данный орган; /7, - поступление у-го радионуклида; П/Щ _ предельно допустимая доза; ПДГlj - предельно допустимое годовое поступление радиоактивных веществ через органы дыхания и пищеварения.
Для комплексной оценки состояния окружающей среды и сферы жизнедеятельности человека (инженерных объектов и др.) принято использовать
следующие параметры:
- плотность радиоактивного загрязнения почвы (запас) по отдельным
радионуклидам:13 Cs, 90Sr и Pu (по сумме изотопов плутония);
- мощность экспозиционной дозы на расстоянии 1 м от поверхности
почвы;
- эффективная (ожидаемая) эквивалентная годовая доза облучения населения.
В та б л . 11.5 представлены критерии экологического состояния радиоактивно загрязненной территории, определенные, исходя из вышеназванных параметров [13].
188
Для обнаружения ионизирующих излучений, измерения их энергии и
других свойств применяются дозиметрические приборы (рентгенометры,
радиометры и дозиметры).
Защита от излучения
Основные методы в производственном цикле: защита расстоянием,
защита временем, защита экранированием источника излучения и защита
количеством (мощностью источников). «Защита расстоянием» основана
на том, что интенсивность облучения уменьшается пропорционально квадрату расстояния между источником излучения и работающим. «Защита
временем» заключается в уменьшении продолжительности контакта человека с источником излучения. «Защита экранированием» - укрытие источника излучения конструкционными материалами, хорошо поглощающими
излучение: свинец, железо, бетон, бор- или свинецсодержащее стекло и др.
«Защита количеством» заключается в уменьшении мощности источников
до минимальных величин.
Безопасные ресурсосберегающие технологии
Для широкого внедрения атомной энергетики необходимо решить две
технические проблемы: разработать реактор с повышенной безопасностью
и технологию удаления опасных высокоактивных отходов, отвечающую
требованиям промышленной экологии.
Только для производства электроэнергии используется несколько различных типов реакторов, которые можно классифицировать на две большие группы: реакторы на тепловых и на быстрых нейтронах. На р и с .
11.2 представлены упрощенные схемы реакторов различного типа.
Таблица 10.1
00
с
о
190
В качестве топлива в атомной станции может использоваться ряд элементов, основным из которых в настоящее время является уран. Существует три основных способа разработки урановых месторождений: подземный, открытый и наиболее современный способ подземного выщелачивания. В качестве выщелачивающего реагента применяют растворы серной
кислоты и карбонат - бикарбонатных солей, насыщенных кислородом.
Растворы закачивают в рудоносные пласты, растворяют там уран, и полученный раствор солей урана извлекают на поверхность. Далее руду (по
первым двум способам) или растворы урана перерабатывают на
специальных гидрометаллургических предприятиях в продукт, называемый
«желтый кек», представляющий собой концентрат солей урана желтого
цвета, содержащий около 80% U308. Концентрат урана очищают и
переводят путем конверсии в легколетучее соединение - гексафторид
урана. Известно пять основных методов разделения (обогащения) изотопов
урана: газодиффузионный, центрифужный, аэродинамический, химический
и лазерный.
Н а р и с . 11.3 показана схема ядерного топливного цикла, а на р и с .
11.4 - общая схема образования и обезвреживания радиоактивных отходов
(РАО). РАО бывают твердыми, жидкими и газообразными. По содержанию
в них радионуклидов и уровню тепловыделения их подразделяют на
низкоактивные (НАО), среднеактивные (САО) и высокоактивные (ВАО).
Большее количество отходов относится к классу НАО, образующихся в
основном при добыче и переработке урановых руд. Присутствующие продукты распада урана делают радиоактивными шахтные воды, рудные отвалы и отвалы горных пород. Для устранения пылеобразования проводится
распыление воды или пылевяжущих растворов. Во избежание загрязнения
грунтовых вод все стоки собираются и перекачиваются на участки обработки отходов. Наиболее интенсивно в окружающую среду проникают
газообразный радон и легкорастворимые соединения радия. В связи с этим
вокруг площадок с отвалами создают санитарно-защитные зоны. Твердые
отходы прессуют. Жидкие - осаждают, концентрируют на ионообменных
смолах или выпаривают. Загрязненные радионуклидами потоки воды
пропускают через деминерализаторы (очистные колонны, заполненные
сорбентами) для достижения уровня чистоты питьевой воды. Гэзообразные отходы пропускают через угольные или другие фильтры и удаляют
под соответствующим контролем через высокую вентиляционную трубу.
Горючие отходы сжигают с обязательным улавливанием радиоактивных
газов и концентрации на сорбентах. Затем отходы (НАО и САО) кондиционируют (отверждают) методами цементирования и битумирования. Основной недостаток цементирования - низкая прочность готовых к захоронению или транспортировке блоков и невысокая устойчивость к влияниям
погоды и к выщелачивающему действию воды. Битумирование - это более
дорогостоящий процесс по сравнению с цементированием.
191
192
К ВАО относятся продукты деления урана, накапливающиеся в топливе.
Их количество составляет менее 1%, а радиоактивность - 98% всей
радиоактивности, образующийся в атомной промышленности. К категории
ВАО относится выгруженное из реактора отработанное топливо и отходы,
образующиеся на первых ступенях экстракции урана и плутония. Растворы
193
последних упаривают и сливают в емкость для временного хранения. Топливо хранится на площадках АЭС. Для подготовки к долговременному хранению или окончательному удалению ВАО подвергают остекловыванию
(капсулированию): упаренные растворы прокаливают и подвергают обработке расплавами фосфатных или боросиликатных стекол. Такая форма
обезвреживания токсикантов обеспечивают полную безопасность, так как
большая часть радионуклидов ВАО распадается в течение 300 лет (справка: для растворения 1 мм поверхностного слоя стекломассы в воде требуется не менее 100 лет). Для окончательного удаления НАО и САО предполагается строительство подземных специальных хранилищ, разрабатываются методы хранения в пустотах горных пород или выработанных шахт.
Для окончательного удаления ВАО предложен метод трансмутации
радионуклидов, заключающийся в переводе радионуклидов в стабильные
нуклиды под действием р-излучения или потока нейтронов. Путь удаления
ВАО в космос не является радикальным, так как существует опасность
194
непредвиденного возвращения на Землю ракеты - носителя. Наиболее
приемлемым способом является удаление ВАО в глубокие геологические
формации. Такое хранилище должно состоять из наземной и подземной
частей. Наземная часть имеет центральную зону со вспомогательными
постройками. Подземная часть хранилища напоминает большую шахту,
расположенную на глубине 600-1200 м. Для предотвращения миграции
радионуклидов предполагается создание технических барьеров с целью
обеспечения защиты в течение различных временных интервалов: начальный период (до помещения отходов в хранилище); тепловой период (до
300 лет); период геологического контроля - в миллионы лет для обезвреживания актиноидов (от актиния до лоуренсия). Конструкция хранилища
представлена на р и с. 11.5 [7].
Таким образом, особое внимание должно уделяться сбору, удалению и
захоронению твердых и высокоактивных жидких отходов, которые могут
вызвать загрязнение окружающей природной среды.
Следует также помнить, что вокруг АЭС устанавливаются три зоны с
различным по строгости режимом: к о н т р о л и р у е м а я - возможно облучение свыше 0,3 дозы, допустимой для персонала; с а н и т а р н о - з а - щ
и т н а я - запрещено размещение производственных, жилых и культурно-бытовых объектов, не относящихся к объекту; н а б л ю д а е м а я - дозы
облучения населения, проживающего в ее пределах, могут несколько
превышать допустимые нормативы. Ширина зон устанавливается 3, 13 и 30
км соответственно [14].
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Медведева В. С. Охрана труда и противопожарная защита в химической
промышленности. М.: Химия, 1989. 288 с.
2. ГОСТ 12.1.045-84. Электростатические поля. Допустимые уровни на
рабочих местах и требования к проведению контроля.
3. СН
№
1757-77.
Санитарно-гигиенические
нормы
допустимой
напряженности электростатического поля.
4. Правила защиты от статического электричества в производствах
химической, нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности
(утв. 31.01.72).
5. ГОСТ 12.4.124-83. Средства защиты от статического электричества. Общие
технические требования.
6. Иванов В.Б., Цыканов В.А. Основные направления работ ГНЦ НИИАР для
экспериментального обоснования разработок современных ЯЭУ. Димитровград:
ГНЦ РФ НИИАР, 1996. 20 с.
195
7. Преображенская Я Б., Зарубин В. А., Никандрова А. В. Популярно о
ядерной энергетике. М.: AT, 1993. 48 с.
8. Русак О.Н. Радиационная безопасность. СПб.: ЛТА, 1993. 24 с.
9. Нейман Л.А. Безопасность жизнедеятельности: теория, вопросы и ответы.
М.: Вузовская книга, 1997. 142 с.
10. НРБ-96. Нормы радиационной безопасности.
11. НРБ-76/87. Нормы радиационной безопасности. ОСП-72/87. Основные
санитарные правила работы с радиоактивными веществами и другими
источниками ионизирующих излучений. М.: Энергоиздат, 1988. 60 с.
12. Измалков В,И., Измалков А.В. Безопасность и риск при техногенных
воздействиях. М.; СПб.: Изд-во РАН, 1994. 270 с.
13. Сынзыныс Б.И., Козьмин Г.В. Введение в радиоэкологию. Радиационные
факторы в природной среде с сфере жизнедеятельности человека. Обнинск:
ОИАТЭ, 1997. 58 с.
14. Владимиров В.В. Урбоэкология. М.: Изд-во МНЭПУ, 1999. 204 с.
Т е м а V. ПРОМЫШЛЕННЫЕ АВАРИИ И ТЕХНОГЕННЫЕ
ЧРЕЗВЫЧАЙНЫЕ СИТУАЦИИ
Лекция 12. ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ ЧЕЛОВЕКА, БИОСФЕРЫ И
ПРОМЫШЛЕННЫХ (ИНЖЕНЕРНЫХ) ОБЪЕКТОВ
В УСЛОВИЯХ ТЕХНОГЕННЫХ ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЙ (ТЧС)
И АВАРИЙ
12.1. Основные понятия
Чрезвычайная ситуация (ЧС) - это обстановка на определенной территории, сложившаяся в результате аварии, опасного природного явления,
стихийного или иного бедствия, которые могут повлечь или повлекли за собой
человеческие жертвы, ущерб здоровью людей или окружающей природной
среде, значительные материальные потери и нарушение условий
жизнедеятельности людей [1].
Зона ЧС - это территория, на которой сложилась чрезвычайная ситуация.
Приняты с л е д у ю щ и е т и п ы к л а с с и ф и к а ц и й ЧС [2, 3]:
- по причине возникновения (преднамеренные и непреднамеренные);
- по структуре возникновения (антропогенные, природные и комбинированные);
- по скорости развития (взрывные, внезапные, скоротечные и плавные);
- по масштабам распространения последствий (локальные или частные,
объектовые, местные, региональные, национальные и глобальные).
Для экологически опасных предприятий основными ЧС являются локальные, объектовые и местные.
Частные ЧС - это ситуации, действие которых ограничено производственным помещением (здание, сооружение). Такие ситуации могут возникнуть
при авариях, связанных с нарушением герметизации отдельных узлов,
технологических линий трубопроводов, при небольших протечках в
хранилищах вредных веществ (ВВ), в частности, сильнодействующих ядовитых веществ (СДЯВ).
Объектовые ЧС - это ситуации, действие которых ограничено территорией
промышленных объектов. Они могут возникать при авариях на складах,
разрыве технологических линий и др.
Местные ЧС - это ситуации, распространение которых ограничено территорией города (района) или области. Последствия местных ЧС выходят за
пределы санитарно-защитной зоны (СЗЗ) предприятия и создают экологическую угрозу не только для производственного персонала предприятия, но
также для населения и окружающей среды.
Основными количественными критериями, определяющими характер ЧС,
являются: число пострадавших людей, материальный ущерб, кратность
превышения ПДК, масса сбрасываемых вредных (ядовитых) веществ
(приложения 12.1 и 12.2 [4]).
Режимы работы оборудования подразделяются на регламентный (расчетный) - режим, в котором опасные параметры процесса находятся в
расчетном диапазоне и аварийный - режим, в котором опасные параметры
процесса выходят за расчетный диапазон и системой регулирования не могут
быть возвращены в исходное состояние.
Катастрофа - авария, сопровождающаяся гибелью людей.
Под инженерным объектом обычно понимают сложный инженерно-технический комплекс, включающий в себя здания, сооружения, энергосистемы,
оборудование, автоматизированные системы, электронную технику и т.п.
Под устойчивостью работы инженерного объекта понимают его способность выпускать установленные виды продукции в необходимых объемах и
номенклатуре (для организаций, не производящих материальные ценности выполнять свои функции) в условиях ЧС, а также приспособленность этого
объекта к восстановлению в случае повреждения [5].
Необходимо помнить, что восстановлению объект подлежит, если он
получил слабые или средние разрушения (при сильных и полных разрушениях, когда избыточное давление ударной волны ДРФ на объект превышает 30
кПа, восстановление или ремонт экономически нецелесообразны).
При взрывах химического оборудования (трубопроводов) воздействие
ударной волны ее избыточного давления АРФ на незащищенных людей характеризуется легкими, средними, тяжелыми и крайне тяжелыми травмами
(отравлениями).
Легкие поражения наступают при ДРФ = 20^40 кПа. Проявления: звон в
ушах, головокружение, головная боль.
197
Поражения средней тяжести наступают при ДРФ = 40-60 кПа. Проявление:
вывихи конечностей, контузия головы, повреждение органов слуха,
кровотечение из носа и ушей.
Тяжелые травмы возникают при ДРФ = 60-100 кПа. Они характеризуются
сильной контузией всего организма, потерей сознания, возможным повреждением внутренних органов и т.п.
Крайне тяжелые травмы возникают при Рф > 100 кПа. Могут быть получены разрывы внутренних органов, переломы костей, внутренние кровотечения и другие повреждения, которые обычно приводят к смертельному
исходу.
Характерными условиями возникновения экологических катастроф и
аварий я в л я ю т с я :
- наличие потенциальных источников риска (вредные и радиоактивные
вещества и сырье, высокие давления, легковоспламеняющиеся и горючие
материалы);
- действие и последствия факторов риска (взрывы, выбросы газов, пожары);
- нахождение в зоне аварии людей, продуктов питания, воды, сельхозугодий и т.п.
Современная промышленность отвергла концепцию абсолютной безопасности и пришла к концепции приемлемого (допустимого) риска, суть которой в стремлении к такой безопасности, которую приемлет общество в
данный период времени [6]. Приемлемый риск сочетает в себе технические,
экономические, социальные, политические аспекты и представляет некоторый
компромисс между безопасностью и возможностями ее достижения.
Максимально приемлемым уровнем индивидуального риска обычно считается
1x1 О*6 в год, пренебрежимо малым - индивидуальный риск поражающих
воздействий 1x10"8 в год [7]. Риск - это количественная оценка опасности. Риск
события (Rc) характеризует частоту реализации опасности за определенное
время, т.е. Rc = No/NB, где N0 и NB - количество реализованных и возможных
опасностей соответственно. В отечественной и мировой практике
оборудование и процессы считаются безопасными, если вероятность "фавмы
человека для данной отрасли промышленности не превышает 10" (10~5 - по В.
Маршаллу) в год. Например, реальный производственный риск (Rnp) в СНГ
составляет примерно 10"4 (14 тыс. погибающих на 140 млн работающих), что
на один-два порядка выше приемлемого риска [3]. В РФ в настоящее время
нет жестких требований по установлению уровней риска. Согласно
«Временным требованиям и критериям оценки риска при нормальной
эксплуатации и авариях на промышленных объектах», приняты следующие
нормативные значения индивидуального риска в расчете на человека в год:
- персонал предприятий - 1x10"5;
- население, находящееся в санитарно-защитной зоне - 1x10"6;
- население региона - 1x10"6.
Статистика показывает, что более 80% аварий и катастроф на производстве носит антропогенный характер: 64% аварий происходит за счет на-
198
рушения правил эксплуатации техники и 16% - за счет некачественного
строительства и монтажа оборудования.
12.2. Принципы обеспечения экологической безопасности производств
Экологическая безопасность промышленных (инженерных) объектов при
авариях и ЧС определяется вероятностью возникновения поражающих
факторов и уровнем воздействия вредных веществ, проявляющегося в
процессе эксплуатации. Уровень опасности и принцип обеспечения безопасности во многом связаны со свойствами перерабатываемых веществ.
При работе с нейтральными твердыми и жидкими веществами, парами и
газами оборудование должно обеспечивать [8]:
- санитарные и гигиенические нормы в рабочей зоне помещения по
температуре, запыленности, содержанию паров воды и других жидкостей за
счет герметизации при загрузке и разгрузке веществ и при проведении
технологического процесса, а при необходимости за счет отвода пыли и паров
общеобменной или местной вентиляцией;
- защиту от разрушения под давлением сжатых нейтральных паров или
газов (воздуха, азота, аргона и т.п.), внезапном нерегламентированном повышении давления в ходе выполнения технологических операций (например,
за счет перегрева и вскипания жидкости), а также при нерегламентированном
повышении давления от внешних источников - сжатого воздуха, азота пара и
т.п.
При эксплуатации оборудования с горючими жидкостями (масла, дистилляты, диэтиленгликоль), легковоспламеняющимися жидкостями (спирты,
бензины, гексан, гептан, изопрен, ацетон) и горючими газами, в том числе
сжиженными (этан, этилен, пропан, бутан, бутилен, метан) наблюдается более
высокий уровень опасности за счет возможного пожара или взрыва этих
веществ.
Оборудование при работе с этими веществами должно обеспечить (в
дополнение к указанным) исключение возможности:
- образования пожаро- и взрывоопасных концентраций веществ за счет
выбора соответствующих технологических режимных параметров, вентиляции, продувки или подачи флегматизаторов;
- появления источников зажигания за счет применения соответствующего
уровня и вида взрывозащиты электрооборудования, исключения искр трения
или удара;
- самовоспламенения окружающей взрывоопасной смеси от нагретых
поверхностей;
- нерегламентированного подъема температуры при нарушении условий
проведения экзотермических реакций;
- разрушения оборудования под давлением при выполнении технологических операций или при нарушении правил эксплуатации.
199
Повышенной является опасность и при использовании вредных веществ3I
и II класса опасности, а также веществ остронаправленного действия II! класса
ввиду их токсичности. Поэтому оборудование дополнительно должно
обеспечить: исключение химических ожогов и токсического поражения
(респеративного или при попадании на кожный покров) при транспортных
операциях, погрузке-разгрузке и т.п. за счет соответствующей герметизации и
устройств, нейтрализующих и улавливающих пары вредных веществ.
12.3. Устойчивость работы промышленных объектов в ЧС
Оценка устойчивости зданий (сооружений) к воздействию ударной волны
Предполагается, что разрушение здания цеха (офиса) происходит в результате воздействия ударной волны, возникшей в результате аварийного
разрушения (взрыва) какого-либо аппарата на заводской площадке. Последствия взрыва определяются величиной давления разрушения инженерного объекта и массой выброса (слива) вредного вещества.
Оценка устойчивости зданий (сооружений) заключается в определении
избыточного давления ударной волны ДРФ, вызывающего различные степени
разрушения промышленного или административного здания в зависимости от
типа и сейсмостойкости конструкции, вида строительного материала, высоты
здания и грузоподъемности кранового оборудования внутри цеха
промышленного здания.
Ориентировочно величина ДРФ определяется по формуле:
ДРФ = Кзд х Кр х Кк х Км х Кв х Кс х Ккр, кПа,
(12.1)
где Кзд - коэффициент, учитывающий тип здания; Кр - коэффициент, учитывающий степень разрушения; Кк - коэффициент, учитывающий тип конструкции; Км - коэффициент, учитывающий вид строительного материала; Кв коэффициент, учитывающий высоту здания; Кс - коэффициент, учитывающий
сейсмостойкость
конструкции;
Ккр
коэффициент,
учитывающий
грузоподъемность кранового оборудования.
Значения коэффициентов Ki - К7 приведены в п р и л о ж е н и и 12.3.
П р и м е р 1 . Определить избыточные давления ударной волны, при
которых здание цеха химического машиностроения получит различные
степени разрушения. Исходные данные: тип здания - каркасный; стены кирпичные; высота -10 м; здание не сейсмостойкое; грузоподъемность
мостового крана - 10 т.
Р е ш е н и е : Избыточное давление ударной волны, вызывающее полное
разрушение здания, находим по формуле 12.1.
ГОСТ 12.1.0.07-76 «Вредные вещества. Классификация и общие требования
безопасности»: / класс - вещества чрезвычайно опасные; //- вещества высокоопасные; ///- вещества умеренно опасные; I V - вещества малоопасные.
3
200
д
р п о л н = 1 4 х 1 х 2 х 1 ,5 х
0,85
х
1
х 1 ,05
= 37 кПа
Тогда
сильное разрушение: ДРф = 0,87 х 37 = 32 кПа;
среднее разрушение: ДР^ = 0,56 х 37 = 21 кПа;
слабое разрушение: ДРф1 = 0,35 х 37 = 13 кПа.
Оценка устойчивости технологического оборудования к воздействию ударной волны
Промышленное оборудование (в первую очередь, дымовые трубы, ректификационные колонны, опоры линий электропередач, реакторы и др.)
рассчитываются на действие скоростного напора воздуха, движущегося за
фронтом ударной волны. Давление скоростного напора рассчитывается по
формуле [9]:
где ЛРФ - избыточное давление во фронте ударной волны, кПа.
При воздействии скоростного напора на объект возникает смещающая
сила, которая может вызывать:
- смещение оборудования относительно основания (фундамента) или его
отбрасывание;
- опрокидывание оборудования;
- мгновенное инерционное разрушение элементов оборудования (ударные перегрузки).
Смещение оборудования может привести к слабым, а в ряде случаев и
средним разрушениям. Величина скоростного напора, вызывающего смещение оборудования (расчетная схема представлена на рис. 12.1), составляет
где f - коэффициент трения (см. п р и л о ж е н и е 12.4); т - масса объекта
(оборудования), кг; g - ускорение свободного падения (9,8 м/с2); сх ~ коэффициент аэродинамического сопротивления объекта (см. п р и л о ж е н и е
12.5); t - длина объекта, м (наиболее неблагоприятный случай воздействия
ударной волны - перпендикулярно наибольшему размеру предмета); h высота объекта, м; 0Б - суммарное усилие болтов крепления, работающих на
срез, Н.
Величина 0Б равна
201
где тСр - допустимое напряжение на срез, кг/мм2 (н/м2); оТ - предел текучести
стали, кг/мм2 (н/м2), для Ст. 35 от = 65 кг/мм2 = 6,33х108 н/м2; d6 - диаметр
болта, м; п - количество болтов.
Для незакрепленного оборудования (QB = 0) величина скоростного напора, вызывающего смещение оборудования, составляет
По величине скоростного напора ДРСК, используя р и с . 12.2, находят
предельное избыточное давление АРф|,т, при котором предмет не смещается.
П р и м е р 2 . Определить предельное значение избыточного давления,
не вызывающее смещение абсорбционной колонны относительно бетонного
основания. Исходные данные: диаметр колонны d = 4 м; высота h = 60 м;
масса m = 5-Ю5 кг; f = 0,2; с* = 0,46.
202
Р е ш е н и е : Определяем по формуле 12.6 предельное значение давления скоростного напора, при котором колонна не смещается
По величине ЛРСК= 9 кПа, используя рис. 12.2, находим дРф"т = 52 кПа.
Таким образом, при АРФ > 52 кПа ударная волна вызывает смещение
колонны.
Опрокидывание оборудования приводит к средним и сильным разрушениям. Смещающая сила Рсм> действующая на плече z = h/2 будет создавать
опрокидывающий момент, а вес (масса) оборудования на плече £ 12 (d /2) и
реакция крепления Qr плече i (d) - стабилизирующий момент (см. р и с . 12.3).
203
где s - площадь объекта со стороны движения ударной волны, м2.
Суммарное усилие болтов крепления, работающих на разрыв, равно
где ор - допустимое напряжение болта на разрыв, кг/мм2 (см. п р и л о ж е н и е
12.6).
По величине скоростного напора ДРСК, используя рис. 12.2, находят
предельное избыточное давление ДРф,|т, при котором оборудование не опрокинется.
П р и м е р 3. Определить предельное значение избыточного давления, не
вызывающее опрокидывание абсорбционной колонны. Исходные данные: см.
пример 2.
Р е ш е н и е : Определяем по формуле 12.9 предельное значение давления скоростного напора, при котором колонна не опрокинется:
По величине ДРСК = 3 кПа, используя рис. 12.2, находим ДРф|,т = 30 кПа.
Таким образом, при ДРФ > 30 кПа ударная волна вызывает опрокидывание
колонны.
В данном случае для опрокидывания колонны требуется меньшее давление ударной волны, чем для ее смещения, что характерно для высоких
элементов объекта (колонная аппаратура и др); для низких, наоборот, требуется меньшее давление для смещения, чем для опрокидывания.
Инерционные разрушения радиоэлектронной и оптической аппаратуры
(разрыв соединительных проводов, мест пайки, хрупких деталей и т.п.)
204
возникают от избыточного давления ударной волны и давления скоростного
напора. Они приравниваются к сильной степени разрушения.
Предельное значение избыточного давления ударной волны, при котором
оборудование не получит инерционных разрушений ДРфИт, определяется с
помощью р и с . 12.4. по найденной величине избыточного предельного
лобового давления ДРЛОб-
где РЛОб - лобовая сила (не приводящая к ударной перегрузке), Н; S - площадь воздействия ударной волны, м2; т - масса прибора, кг; адоп - допустимое
ускорение при ударе, м/с2 (приводится в техническом паспорте на прибор или
берется из п р и л о ж е н и я 12.7); пдоп = адог/д - допустимая ударная
перегрузка, не приводящая к инерционным разрушениям.
П р и м е р 4. Определить предельное значение избыточного давления,
при котором прибор не получит инерционное разрушение. Исходные данные:
длина прибора £ = 400 мм, ширина b = 420 мм, высота h = 720 мм, масса m =
60 кг, допустимое ускорение при ударе адоп = 100 м/с2.
Р е ш е н и е : Определяем по формуле 12.11 избыточное лобовое давление, которое может выдержать прибор:
По рис. 12.4, зная APn06i находим предельное избыточное давление ДРФНт
= 18 кПа. Таким образом, при ДРф||т > 18 кПа прибор получит сильное
разрушение от инерционных перегрузок, вызываемых ударной волной.
Основные пути повышения инженерной устойчивости промышленных
объектов:
- использование оптимальных конструкций и материалов зданий и сооружений;
- надежное закрепление оборудования на фундаменте;
^ - применение демпфирующих (деформируемых) опор оборудования;
- создание специальных защитных упругих навесов, кожухов, зонтов,
сеток и т.п.;
, • - расположение массивной техники на нижних этажах и вне помещения;
- возможность эксплуатации объекта на различных видах топлива (газ,
уголь, мазут и т.п.);
205
- обваловывание емкостей с вредными веществами, горючими и легковоспламеняющимися жидкостями;
- закрепление оттяжками (тросами) высоких элементов объекта, рассчитанными на воздействие скоростного напора ударной волны.
12.4. Прогнозирование экологической обстановки при авариях на химически
опасных объектах
Экологическая безопасность функционирования химически опасных
предприятий зависит от многих факторов, например, физико-химических
свойств сырья, полуфабрикатов и готового продукта, характеристик технологического процесса и др. Особенностью работы с вредными (горючими,
легковоспламеняющимися) веществами (ВВ) является возможность их потенциального взрыва, пожара и выброса (разлива) в биосферу в количествах,
представляющих опасность массового поражения людей, животных и
окружающей среды.
Исходя из оценки масштабов реальной опасности, зависящей не только от
токсичности вещества, но и от величины их запасов и характера распространения в атмосфере, перечень ВВ, от воздействия которых в первую
очередь необходимо обеспечивать защиту, можно ограничить девятью веществами, токсилогические характеристики которых приведены в т а б л . 12.1
[10].
Таблица 12.1
Ингаляционные токсодозы, мг/л мин
Наименование BB
Вызывающие
Смертельны Вызывающие
поражения начальные
е
средней
симптомы
тяжести
Хлор
6,0
0,6
0,01
Аммиак
Фосген
Сернистый ангидрид
Фтористый водород
Цианистый водород
Сероводород
Сероуглерод
Нитрил акриловой
кислоты
100
6
70
7,5
1,5
30
900
7
15
0,6
20
4
0,75
5
135
0,7
0,25
0,01
0,4-0,5
0,4
0,02-0,04
0,3
1,5-1,6
0,03
Основной характеристикой зоны химического заражения является глубина
распространения облака зараженного воздуха. Глубина зоны химического
заражения для ВВ определяется глубиной распространения первичного или
вторичного облака зараженного воздуха. Первичным облаком называется
облако газа (пара, аэрозоля) токсичного вещества, образовавшегося
206
мгновенно (1-3 мин) в результате разрушения или разгерметизации емкости
(резервуара). Вторичным облаком называется облако, образовавшееся в
результате испарения ВВ с площади его разлива. Вв та б л.
12.2 [10] приведены глубины опасных зон распространения первичного облака
ВВ, образующегося при разрушении емкостей для хранения. Они рассчитаны
для средних метеоусловий (изотермия, скорость ветра 1 м/с). В условиях
инверсии глубина распространения будет увеличиваться в зависимости от
скорости ветра в 1,1-3,0 раза; при конвекции- уменьшаться.
Таблица 12.2
Глубины опасных зон распространения первичного облака ВВ
Наименование ВВ
Объем хранения в
резервуарах, т
Глубина
распространения
первичного облака,
км*
Хлор
30-2000
96/26
Аммиак
Фосген
30-30000
1-300
1-300
1-300
1-300
1-500
65/22
33,5/17
30/19,5
1,5/0,5
9,8/3,5
39/11
25-200
19/6,6
Цианистый водород
Сероуглерод
Сероводород
Нитрил акриловой
кислоты
Сернистый ангидрид
* Примечание: числитель - для поражающих концентраций, знаменатель - для
смертельных при максимальном объеме.
Время воздействия опасных концентраций зависит от типа и количества
выброшенного (вылитого) ВВ, а также метеоусловий в районе аварии
(скорости ветра и температуры окружающей среды), и может колебаться от
нескольких часов до нескольких суток. Например, при выбросе (выливе) 50
тыс. т ВВ при температуре окружающей среды +20 °С время действия хлора,
аммиака, фосгена и сероводорода составляет 1,8: 3,2; 1,7 и 6,7 суток
соответственно [10].
Масштабы заражения ВВ в зависимости от их физических свойств и агрегатного состояния р а с с ч и т ы в а ю т с я :
- для сжиженных газов - отдельно по первичному и вторичному облаку;
- для сжатых газов - только по первичному облаку;
- для ядовитых жидкостей, кипящих выше температуры окружающей
среды (+20 °С), - только по вторичному облаку.
207
12.5. Определение количественных характеристик
выброса (разлива) ВВ
Площадь зоны возможного заражения первичным (вторичным) облаком ВВ
(р и с . 12.5) определяется по формуле:
где Г - глубина зоны заражения, км; у - угловой размер зоны заражения,
град.
В зависимости от скорости ветра (И) угловые размеры зон возможного
заражения (рис. 12.5) составляют:
Площадь зоны фактического химического заражения рассчитывается по
формуле:
где К - коэффициент, зависящий от степени вертикальной устойчивости
воздуха: при инверсии - 0,081, при изотермии - 0,133, при конвекции - 0,235;
N — время, прошедшее после начала аварии, ч.
208
Длительность подхода зараженного облака к населенному пункту, расположенному на пути его движения, определяется по формуле:
где х - расстояние от промышленного объекта (источника заражения) до
населенного пункта, км; V- скорость переноса фронта облака зараженного
воздуха, км/ч.
***
П Р И Л О Ж Е Н И Е 12.1
Критерий оценки степени загрязнения атмосферного воздуха по
максимальным разовым концентрациям
Класс
опасности
загрязнения
Экологическое бедствие
Кратность
превышения
ПДК (К)
% измерений
выше ПДК
Чрезвычайная экологическая
ситуация
к
% измерений
выше ПДК
\
5
30
3-5
30
\\
111
IV
7,5
12,5
20
30
50
50
5-7,5
8-12,5
12,5-20
30
50
50
П Р И Л О Ж Е Н И Е 12.2
Критерий оценки степени загрязнения атмосферного воздуха
по среднесуточным концентрациям
209
Класс
опасности
загрязнения
Экологическое бедствие
Кратность
превышения
ПДК (К)
I
3
II
5
7,5
12
III
IV
Чрезвычайная экологическая
ситуация
% проб выше К
(или сутки)
к
% проб выше К
(или сутки)
20 или 7 суток
подряд
2-3
20 или 7 суток
подряд
то же
30 сут.
30 сут.
то же
30 сут.
30 сут.
3-5
5-7,5
8,12
П Р И Л О Ж Е Н И Е 12.3
Коэффициенты, отражающие конструкцию промышленного (офисного,
административного) здания
Кэд
промыш
к
полн.
офис админ
14
23
1
Кк
сильн
сред.
слаб.
бескаркасн.
каркасн.
мон ж/б
0,87
0,56
0,35
1
2
3,5
к„
кирп
1,5
К.
дер.
ж/б сл
ж/б норм.
армиров
1
армиров
2
3
Кс
<5м
5-15
> 15 м
1
0,85
0,8
Ккр
несейсмо- стойк
сейсмостойк.
Ют
20 т
40 т
60 т
100 т
1
1,5
1,05
1,1
1,2
1,3
1,45
П Р И Л О Ж Е Н И Е 12.4
Коэффициенты трения /между поверхностями различных конструкционных
материалов
210
Наименование трущихся
материалов
Сталь по стали
Сталь по чугуну
Металл по линолеуму
Металл по дереву
Металл по бетону
Резина по твердому грунту
Резина по линолеуму
Резина по дереву
Резина по чугуну
Дерево по дереву
Кожа по чугуну
Кожа по дереву
211
Значение
коэффициента
0,15
0,3
0,2-0,4
0,6
0,2-0,5
0,4-0,5
0,4-0,5
0,5-0,8
0,8
0,4-0,6
0,3-0,5
0,4-0,6
П Р И Л О Ж Е Н И Е 12.5
Коэффициенты аэродинамического сопротивления Сх для объектов
различной формы (при Рф < 50 кПа)
Геометрическая форма объекта
Параллелепипед
Направление движения воздуха
Перпендикулярно
нию
С*
основа-
0,85
То же (основание - квадрат, Перпендикулярно боковой
длина боковой стороны в 3 грани
раза больше меньшей стороны основания)
Куб
Перпендикулярно грани
Перпендикулярно пластине
Пластина квадратная
1,3
Диск
Цилиндр h/d = 1
1,5
1,45
Перпендикулярно диску
Перпендикулярно оси ци
1,6
0,4
линдра
h/d = 4 h/d = 9
0,43
0,46
оо
Сфера
Полусфера
Вдоль поверхности
Параллельно плоскости основания
Параллельно основанию
Пирамида
0,25
0,3
1,1
П Р И Л О Ж Е Н И Е 12.6
Допустимые напряжения болтов на разрыв в зависимости от размеров
Размер
болта
ор, Н
М12
М16
М20
1,7x104
2,6х104
4,1х104
М24
6x104
М27
7,8*104
МЗО
9,6x104
М36
М42
2х105
1,4x105
М46
2,9x105
П Р И Л О Ж Е Н И Е 12.7
Основные нагрузки, воспринимаемые радиоэлектронной и оптической
аппаратурой в процессе эксплуатации
Вид воздействий и параметры
Группа аппаратуры
Наземная
Авиационная
10-15
5-10
6-12
ДО 15
Ударные сотрясения:
- ускорение, м/с2
- длительность, мс
Продолжение п р и л о ж е н и я 12.7
Вид воздействий и параметры
Группа аппаратуры
Наземная
Авиационная
Одиночные удары:
- ускорение, м/с2
- длительность, мс
Линейное ускорение, м/с2
Вибрация:
- частота, Гц
- ускорение, м/с2
Ветровая нагрузка:
- рабочая, м/с
- предельная, м/с
—
50-1000
0,5-10
2-5
4-10
10-70
1-4
5-2000
до 20
до 50
ДО 70
-
—
-
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Федеральный закон от 21 декабря 1994 г. № 68-ФЗ «О защите населения и
территорий от чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера»,
2. Зюзин А.В., Семенов В.И. Защита производственного персонала и населения
от сильнодействующих ядовитых веществ на химически опасных объектах. М.: Мединор, 1994. 240 с.
3. Корсаков Г А . Комплексная оценка обстановки и управление предприятием в
чрезвычайных ситуациях. СПб.: ИПКРС, 1993. 130 с.
4. Протасов В.Ф., Молчанов А.В. Экология, здоровье и природопользование в
России. М.: Финансы и статистика, 1995. 528 с.
5. Защита населения и объектов народного хозяйства в чрезвычайных
ситуациях /Под ред. М.И. Постника. Минск: Ун1верс!тэцкае, 1997. 278 с.
6. Постановление Правительства РФ от 1 июля 1995 г. № 675 «О декларации
безопасности промышленного объекта Российской Федерации».
7. бондарь В.А,. Попов ЮЛ. Риск, надежность и безопасность. Система понятий
и обозначений//Безопасность труда в промышленности. 1997. № 10. С. 39.
8. Бондарь В.А., Попов Ю.П., Нишпал Г.А. Классификация веществ по опасным
свойствам. М.: Изд-во МГАХМ, 1997. 100 с.
9. Защита объектов народного хозяйства от оружия массового поражения /Под
ред. ГЛ. Демиденко. Киев: Выща школа, 1989. 287 с.
10. Аварии и катастрофы. Предупреждение и ликвидация последствий. Кн.
1/Под ред. К Е . Кочеткова, Б.А. Котляревского, А.В. Забегаева. М.: АСВ, 1995. 320 с.
213
Т е м а VI. НОВЫЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТЫЕ (БЕЗОПАСНЫЕ)
ПРОИЗВОДСТВА
Лекция 13. ПРИОРИТЕТНЫЕ ПУТИ РАЗВИТИЯ И РЕАЛИЗАЦИИ НОВЫХ
ТЕХНОЛОГИЙ, ОТВЕЧАЮЩИХ ТРЕБОВАНИЯМ ПРОМЫШЛЕННОЙ
ЭКОЛОГИИ
В данной лекции рассмотрены результаты практического использования
технологических и конструкторских разработок, приведенных в предыдущем материале. Реализация разработок представлена на основе
блочно- модульного метода, позволяющего с минимальными затратами
осуществить их синтез в единый высокоэффективный комплекс с
минимальными энерго- и ресурсозатратами.
Вновь созданные конструкции аппаратов, устройств для осуществления
новых способов дозирования, смешения, смешения-измельчения,
компактирования, стекловарения, газо- и водоочистки, переработки отходов, а также новые решения по защите от акустических, электромагнитных и радиоактивных излучений базируются на теоретических предпосылках и экспериментальных исследованиях, изложенных в лекциях
1-12. Основным подходом при изложении по-прежнему является принцип
системности. В соответствии с ним каждый отдельный аппарат или
технология рассматриваются как элемент динамичной системы (см. лекцию
4). Используя пример операторной модели производства стеклянного
волокна (рис. 13.1), которую можно рассматривать как базовую схему для
реализации в промышленности комплекса новых малоотходных и
экологически чистых производств, а также выбора оптимальных режимов
их функционирования, рассмотрим принципиально новые про-
изводственные технологии, отвечающие требованиям промышленной экологии.
215
г
о
о
с
о
13.1. Ресурсосберегающая техника производства стеклянного волокна
В химико-технологическую систему (ХТС) производства стекловолокна
входят с л е д у ю щ и е подсистемы, операторы и процессоры:
4. Подсистема выработки непрерывного стеклянного волокна с
показателями качества, соответствующими определенным стандартам.
I. Оператор выработки непрерывного стекловолокна: 1 - процессор
намотки стеклонити на бобины, 2 - процессор смачивания (склеивания)
пучка волокон замасливателем, 3 - процессор формирования пучка волокон, 4 - процессор расплавления стеклошариков, 5 - процессор дозирования
стеклошариков.
В, Подсистема выработки стеклянных шариков.
I. Оператор выработки готовых стеклошариков: 1 - процессор охлаждения отжига готовых стеклошариков, 2 - процессор формования (обкатывания) заготовок стеклокапли в шарики, 3 - процессор транспортировки заготовок стекломассы, 4 - процессор дозирования струи стекломассы на заготовки, 5 - процессор формирования струи стекломассы.
O f . Подсистема образования стекломассы из компактированной
шихты с заданными показателями.
I. Оператор образования стекломассы из компактированной шихты с
заданными показателями: 1 - процессор охлаждения (студки) стекломассы,
2 - процессор гомогенизации стекломассы, 3 - процессор осветления
стекломассы, 4 - процессор стеклообразования, 5 - процессор силикатообразования.
II. Оператор пламенного нагрева стекломассы: 1 - процессор пламеного нагрева стекломассы, 2 - процессор дозирования топлива.
III. Оператор дозирования и загрузки компактированной шихты и стеклобоя: 1 - процессор дозирования компактированной шихты, 2 - процессор
дозирования стеклобоя, 3 - процессор транспортировки компактированной
шихты, 4 - процессор транспортировки стеклобоя.
IV. Оператор вторичного использования (рекуперации) тепла отходящих газов: 1 - процессор рекуперации тепла отходящих газов, 2 - процессор
дозирования воздуха.
С2. Подсистема классификации компактированной шихты по
фракциям.
1. Оператор классификации компактированной шихты: 1 - процессор
транспортировки возвратных фракций (просыпи), 2 - процессор классификации компактированной шихты по фракциям, 3 - процессор дробления
компактированной шихты.
217
С3. Подсистема образования компактирооеанной шихты с заданными технологическими и структурно-деформационными свойствами.
I. Оператор охлаждения и упрочнения компактированной шихты: 1 - процессор транспортировки компактированной шихты и просыпи, 2 - процессор
упрочнения компактированной шихты за счет протекания твердофазных
реакций и тепломассообменных процессов.
II. Оператор образования компактированной шихты в виде плитки с
заданными
технологическими
и
структурно-деформационными
свойствами:
1 - процессор охлаждения (сушки) плитки после ее выхода из валкового
пресса, 2 - процессор образования из порошкообразной шихты компактированной в виде плитки, 3 - процессор предварительного уплотнения порошкообразной шихты, 4 - процессор дозирования возвратных фракций
(просыпи), 5 - процессор дозирования порошкообразной шихты.
С4. Подсистема увлажнения и смешения порошкообразной шихты.
1. Оператор увлажнения и смешения порошкообразной шихты: 1 - процессор смешения исходных компонентов в гомогенную (гетерогенную)
смесь,
2 - процессор увлажнения и дозирования связующего компонента, 3 - процессор дозирования компонентов шихты.
Аналогичным образом анализируется операторная модель с экологоэкономических позиций (проводят ранжирование факторов экологической
безопасности и ресурсосбережения, сопоставляют параметры и т.п. [1]).
Техника измельчения ПМ
Промышленная установка газоструйного измельчения кварцевого
песка (твердость 6,5-7,0 ед. по шкале Мооса) представлена на р и с. 13.2.
Энергоносителем является или холодный воздух, или нагретая
газовоздушная смесь. Исходный кварцевый песок с размером частиц не
более 0,8 мм и влажностью до 0,5% через дозатор по течкам поступает в
инжекцион- ные узлы, где увлекается скоростным потоком горячего воздуха
(сжатого до 0,35-0,40 Мпа) с одновременным термическим ударом (AT « 500
°С) и в разгонных трубках ускоряется до 300-400 м/с. Оптимальные
режимные параметры промышленной установки для достижения
необходимых дисперсионных характеристик измельченного кварцевого
песка (50-70 мкм с учетом процессов стекловарения и формования нити)
представлены в т а б л . 13.1.
219
Таблица 13.1
Параметры промышленной установки
Характеристика параметров
Наименование параметров
Производительность, т/ч
Частота вращения классификатора, мин'1
Режим 1 (на
воздухе)
Режим 2 (на
газовоздушной
смеси)
1,8
135
2,2
135
Продолжение таблицы 13.1
Наименование параметров
Характеристика
параметров
Режим 1 (на
Режим 2 (на
воздухе)
газовоздушной
смеси)
Удельный расход энергоносителя, нм3/т кварцевого песка
Расход энергоносителя, hmj/4
Температура энергоносителя, °С
Удельный расход электроэнергии, кВт ч/т измельченного кварцевого песка
1440
1100
2600
35
7,4
2400
590
6,0
Длительная промышленная эксплуатация установки (средняя производительность по измельченному продукту составляет 2,0-2,2 т/ч) в различных аэродинамических и температурных диапазонах показала, что
работа измельчителя в режиме 1 является наиболее приемлемой для
заводских условий и позволяет получать заданные технологическим регламентом характеристики сырья (несмотря на некоторое снижение технико-экономических показателей).
Для компонентов с твердостью 3-5 ед. по шкале Мооса на базе ударноотражательного (аэробильного) измельчителя разработана технология
измельчения карбонатного сырья, предусматривающая ввод в измельчитель ПАВ в количестве 0,03-0,4% с плотностью, промежуточной между насыпной плотностью исходного и насыпной плотностью измельченного сырья. С целью повышения надежности и снижения износа рабочих органов
измельчителя на первых двух стадиях в питание дробилки дополнительно
вводится измельченный продукт в количестве 7-25%, а на последующих
стадиях это количество уменьшается до 1-5%, причем дополнительно
вводимый продукт увлажняется до 0,2-3,5% боросодержащим 30-70%-ым
раствором или обрабатывается порошкообразным боросодержащим сырьем в количестве 2-7%-ым с удельной поверхностью в 1,1-2,3 раза превышающей удельную поверхность измельченного карбонатного сырья. Дополнительно карбонатное сырье перед измельчением однократно-трехкратно может обрабатываться 7-25%-ым подогретым до 65-95 °С водным
раствором А1203 И CaF2, включающим компоненты в следующем соотношении (масс. %): А1203 - 11-18; CaF2 - 0,5-4 в количестве 0,5-10% от массы
сырья, и подвергаться одно-трехкратному охлаждению путем эндотермического удара длительностью 0,5-2,5 мин.
На р и с. 13.3 представлена усовершенствованная технологическая
схема аэробильного измельчения известняка и доломита, реализованная
на заводах стеклянного волокна.
222
Отличительной особенностью данной схемы является конструкция
ударной поверхности ротора измельчителя, выполненная со сквозными
вдоль оси каналами. Универсальность оборудования и постоянство
дисперсного состава независимо от минерального состава сырья (доломит,
известняк или мел) обеспечивается эффектом периодического увеличения
скорости ротора измельчителя в 1,5-1,65 раза, затем - уменьшения до
первоначального значения.
Техника смешения порошковых материалов (ПМ)
Целью смешения ПМ является получение высокооднородной, активированной смеси из компонентов с различными фракционными и химическими характеристиками, а также в ряде случаев ввод технологических и
увлажняющих добавок.
На
рис.
13.4
представлен
вариант
ресурсосберегающей
технологической
схемы
пневматического
(пневмоструйного)
смешения-измельчения стекольной шихты. Процесс смешения в аппарате
основан
на
принципе
«единый
бункер»
(смеситель-измельчитель-транспортер шихты). Поступившие совместно
взвешенные компоненты шихты пневматически смешиваются системой
струй воздуха, создающих пульсирующие вихревые условия внутри
смесителя, что и позволяет создать гомогенную смесь компонентов.
Длительность смешения составляет 2-3 мин, а среднее потребление
воздуха - 425 м3/ч при стандартной температуре и давлении. После
окончания процесса смешения сырьевая смесь пневматически транспортируется на следующую заранее выбранную стадию процесса примерно за
5 мин. Заполнение смесителя компонентами занимает около 1 мин. Отработанный воздух выпускается через рукавный фильтр. Ниже приведены
т е х н и ч е с к и е х а р а к т е р и с т и к и смесителя-измельчителя.
1. Вместимость - 1250 кг (1,2 м3).
2. Корпус - из листовой низкоуглеродистой стали толщиной 10 мм.
3. Выпускной клапан - 0 406 мм.
Клапан воздушного фильтра - 0 150 мм.
Выпускной клапан (пневматический корпус и труба для подсоединения к
бустерной системе) - 0 101,6 мм.
4. Масса оборудования - 1080 кг.
Размер компонентов шихты - Д (90%) - 400 мкм.
5. Влажность - 0,8% (max), исключая отходы стекловолокна и технологических связующих.
6. Масса одной партии шихты - 1250 кг.
7. Длительность отвесов (начальная) компонентов шихты, смешения измельчения и транспортировки - 22 мин.
8. Длительность последующих циклов взвешивания, смешения-измельчения и транспортировки - 12 мин.
9. Насыпная масса шихты - 960 кг/м3.
Некоторые другие технологические характеристики представлены в
т а б л . 13.2.
224
Параметры ресурсосберегающего процесса смешения-измельчения
Таблица 10.1
Насыпная,
масса, кг/м3
Длительность
подачи, с
Влажность, %
Размер частиц, мкм
1300
117
0,5
(90%) 70
Борная кислота
700
Доломит
1200
Мел
900
Глинозем обожжен1100
ный
Сульфат натрия или 1100 1100
отходы газоочистки
87
51
63
38
1,0
0,5
0,5
(97%) 400
(40%) 75
(40%) 75
(100%) 150
31 150
2,0 не регл.
(100%) 150 (100%)
150
32
1,0
(45%) 53
Наименование
компонентов шихты
Оксид кремния
Флюорит
1500
2,0
Комплексное изучение и анализ процесса смешения борсодержащих шихт в
пневмоструйном смесителе позволили оптимизировать данную технологию и
в промышленных условиях достигать высокой однородности порошковых
шихт. Рекомендуются следующие р е ж и м н ы е п а р а м е т р ы смесителя:
На базе реализованного в промышленности смесителя разработаны и
внедрены новые способы подготовки стекольных шихт, сочетающих одновременно эффект смешения и измельчения основных, как правило, наиболее тугоплавких компонентов. Процесс стекловарения такой шихты в сравнении с традиционной показал следующие преимущества: длительность
варки сокращается на 18-24%, а однородность стекла растет на 12-14% [1]Техника компактирования ПМ
Сырьевые компоненты шихты (кварцевой песок, глинозем, плавиковый
шпат и др.), прошедшие стадии предварительной подготовки (перемешивание, увлажнение и транспортировку) направляются (рис. 13.5) по трубопроводу в накопительной бункер 1 с вибратором 2, а из него через дозатор 3
в расходный бункер 5 с подпрессователем-смесителем валкового пресса 6.
Основной агрегат установки - валковый пресс конструкции МГУИЭ имее т
следующие характеристики:
3. Частота вращения валков, мин"1
4. Размер сечения загрузочного бункера, м
5. Высота заполнения бункера шихтой, м
6. Величина регулируемого зазора между валками х 103, м
7. Давление в гидросистеме, МПа
226
18
0,16x0,40
1,4
2-8
10-25
8. Производительность по плитке, т/ч
5-6
Р и с . 13.5. Аппаратурное оформление схемы универсальной технологии
компактирования стекольных шихт * - н а отсос в аспирационную
систему
Количество подаваемой шихты на компактирование (нагрузка на рабочую
поверхность валков) составляет 300-1200 кг/м3 и регулируется вначале
«грубо», например, шлюзовым затвором 3 и затем «плавно» вибрационным
питателем 4. Толщину ленты (плитки) устанавливают в зависимости от
максимальных размеров наиболее твердого компонента шихты, например,
кварцевого песка с твердостью по шкале Мооса 6,5-7 ед., которую регулируют
в пределах (1-12) dmax. Скорость компактирования шихты при этом
устанавливают в диапазоне 0,02-5,2 м/с. За счет стабилизированного столба
шихты над валками, сил внутреннего трения частиц шихты и внешнего трения
на границе раздела «шихта-валок» (то есть в зазоре валкового пресса)
происходит процесс разрушения отдельных частиц шихты. Наблюдается
процесс измельчения отдельных компонентов, имеющих твердость
по шкале Мооса 3-9 ед, Происходит изменение формы их зерен от сферической до игольчатой и увеличивается удельная поверхность шихты. Следовательно, ее активность (реакционная способность) также повышается:
а) в холодном состоянии при компактировании растет прочность и плотность ленты (плитки), уменьшается количество просыпи, то есть растет производительность по готовому продукту; б) в горячем состоянии при стекловарении наблюдается значительное ускорение процессов растворения ту-
227
гоплавких зерен шихты вследствие нарушения их структуры и уменьшения
размеров. Таким образом, процесс компактирования сопровождается при
этих режимах механическим измельчением отдельных компонентов шихты.
Образуются новые поверхности со специфическими центрами с преобладанием отрицательно заряженных ионов О2". Вследствие гидролиза на поверхности таких компонентов появляются также отрицательные заряды,
например, у кварцевого песка по следующей схеме:
Этот механизм обуславливает протекание на поверхности частиц
шихты обменных химических и твердофазных реакций (ОХР и ТФР) с
присоединением положительно заряженных остальных компонентов.
Растет плотность и прочность плиток, а следовательно, и
производительность процессов компактирования и стекловарения (та б л .
13.3).
Таблица 13.3
Параметры компактированной шихты
Характеристика компактированной шихты
Показатели
/. Характеристика свежеприготовленных плиток шихты в
зимних условиях (-20 °С)
1. Плотность, кг/м3
2. Насыпной вес, кг/м3
3. Прочность, МПа
- на растяжение
- на сжатие
4 Влажность, %
II. Характеристика плиток шихты после 5-суточного хра
нения при (+20 °С)
1. Прочность, МПа
- на растяжение
- на сжатие
2. Влажность, %
III. Толщина плиток, мм
IV. Распределение плиток шихты по размерам, %
50x80 мм
32x25 мм
менее 35x25 мм
1920
860
0,5-0,8
1,0-1,5
6-8
2,5
4,8
5-7
4-6
6-10
60-75
18-34
Далее компактированная шихта поступает на конвейер 8 и элеватором 9
подается для классификации в грохот 10 в зависимости от требований
производства на плитку или ленту 11 и 12. Конвейером 13 готовый продукт
направляется в бункер-накопитель 14 с шибером 15, а из него - на склад или
в стекловаренную печь [2].
В та б л . 13.4 представлены варианты использования способа с
различными режимными и технологическими параметрами и даны
228
технические характеристики способа (на примере шихт для стекол
медицинского и светотехнического назначения). Отсутствие стадий
увлажнения шихты специальным связующим, ввода пара для подогрева и
сушки плиток или ленты, а также простота конструкции пресса в сравнении с
другими методами уплотнения ПМ значительно повышают плотность
плиток и снижают разброс по плотности при повышении качества стекла.
Таблица 13 4
Технологические варианты способа компактирования
Наименование параметров
компактирования
ЕД
Шихта
иэм.
АБ-1
НС-3
XT-1
НС-2
ОС
НС-2А
%
3,4
3,3
4,3
3,6
2,1
2,6
2.
%
6,3
5,2
6,8
8,4
4,1
5,6
3. Количество просыпи
%
35
3
15
20
20
23
4. Толщина плиток
мм
2,3
2,0
2,0
2,4
2,1
2,5
мм
19
14
28
20
22
33
%
4,0
3,4
6,3
5,9
3,6
4,8
7. Прочность на сжатие
МПа
0,7
1,6
2,9
1,7
1,4
2,6
8. Плотность
кг/м3
1450
1570
1727
1870
1900
1770
9. Давление компактирования
МПа
110
110
110
110
110
110
10. Ускорение процесса варки
%
30
30
20
10
15
20
1. Начальная влажность ших-
ты
Влажность шихты перед
компактированием
Характерный
размер плиток
5.
линейный
6. Влажность плиток
Технико-экономический эффект от использования разработанного способа подготовки шихт выражается в увеличении производительности процесса компактирования в 1,2-1,5 раза, а процесса стекловарения на 2340%. Летучесть (безвозвратные потери) щелочных соединений в процессе
варки шихты уменьшилась на 1,6-5,3%, а запыленность атмосферы снизилась в 2,4-7,5 раза. Одновременно снизился расход топлива в среднем на
20%. Выход годной продукции увеличился на 5-7%. Неоднородность стекломассы уменьшилась со 150-180 А до 120 А.
229
Техника вторичной переработки твердых силикатных отходов
На основе разработанного алгоритма созданы и предлагаются к реализации новые процессы и аппараты, технологические комплексные линии и
изделия, направленные на защиту биосферы и человека от воздействия
отходов стекла, образующихся как в промышленном, так и коммунально-городском секторах экономики.
По предложенной классификации отходов (новизна - цвет стеклобоя не
является основополагающим показателем) выявлены на примере московского и владимирского регионов приоритетные направления экобиозащитных технологий, которые успешно апробированы и реализуются в промышленном масштабе [3].
П е р в а я т е х н о л о г и я - получение из стеклобоя (любого химического
состава, цвета, включая стекловолокна) порошков с максимальным размером
до 800 мкм. Процесс заключается в термообработке и резком охлаждении
нагретого боя. За счет эндоудара происходит изменение структуры отходов с
последующим их самоизмельчением.
Все стадии процесса (от загрузки разнородного боя до выгрузки однородного порошка) протекают в одном аппарате. Технология отличается компактностью и экологической безопасностью.
В т о р а я т е х н о л о г и я - получение из стеклобоя также различного
происхождения расплава с последующей его грануляцией до размеров 2-5
мм. Реактор для переплавки снабжен двойным сводом, в котором размещен
рекуператор. Установка отличается высокой производительностью и отвечает
требованиям современных малоотходных производств.
Область использования: полученные порошки и гранулы повторно используют в процессах стекловарения (экономия сырья до 100%) или в качестве дешевых наполнителей различного вида в производстве стройматериалов, дорожных работах и др.
Учитывая специфические свойства стеклянных отходов, предложена
т р е т ь я т е х н о л о г и я - полученные по первым двум технологиям порошки
и гранулы перерабатывают в камере-формователе в уникальные
микроизделия: светоотражающие шарики размером до 650 мкм и пустотелые сферы - до 200 мкм. Технические преимущества нового материала низкая себестоимость по сравнению с отечественными и зарубежными
аналогами, так как не требуется подготовки специальных компонентов и
стекломассы.
Область использования: на базе полученных микроизделий ( т а б л . 13.5.)
разработан ряд товарной продукции - лакокрасочные и антикоррозионные
покрытия, светоотражающие мастики и специальная термоизоляция, выпуск
которых налажен на российских предприятиях.
230
Основные технические характеристики микроизделий
Таблица 10.1
Шарики
Плотность 2,50-2,55 г/см3
Состав стекла:
натрий-кальций-силикатный;
боросиликатный и др.
Показатель преломления 1,52-1,54
Твердость (по Моосу) 5-6 ед.
Температура размягчения 650-730 °С
Полые сферы
Плотность - 0,24-0,40 г/см3 Кажущаяся
плотность - 0,11-0,35 г/см3
Коэффициенты заполнения объема
(КЗО) - 55-64 Плавучесть - больше 92%
Изостатическая прочность - 5-10 МПа
Перспективным является использование микроизделий в качестве абразивного материала для автомобилестроения и наполнителя лечебноожоговых и противопролежневых кроватей.
Н а р и с . 13.6. изображена схема аппаратурного оформления технологической линии получения стеклянных микрошариков [4]. В состав основного оборудования для получения микрошариков входят измельчитель стеклогранулята со встроенным воздушно-механическим классификатором 1,
сепаратор-циклон 2 для отделения от потока воздуха измельченных частиц
стекла, направляемых в дальнейшем на формование микрошариков, рукавный фильтр 3 для отделения стеклянной пыли и очистки сбрасываемого
воздуха в атмосферу, вентилятор 4, обеспечивающий газодинамический
режим работы измельчителя и сепараторов, питатель микрошариков стекла
5, воздушный эжектор 6, печь формования микрошариков 7, сепараторциклон 8 для отделения основной массы сферических частиц от газовоздушного потока, сепаратор 9 для выделения микрошариков маленького
размера (менее 30 мкм), классификатор виброкипящего слоя 11 с сепараторами 12.1-12.3, хвостовые вентиляторы 10, 13, обеспечивающие газодинамические режимы работы соответственно печи формования и классификатора виброкипящего слоя.
Процесс изготовления стеклянных микрошариков осуществляется следующим образом. Исходный стеклогранулят (стеклобой) загружается в измельчитель с встроенным классификатором 1, в котором происходит его
измельчение и предварительная классификация частиц стекла по размерам.
Из классификатора порошок стекла потоком воздуха уносится в первый
сепаратор 2, в бункере которого осуществляется сбор стеклопорошка,
направляемого далее в печь формования. Поток воздуха после отделения
основной массы частиц стекла в сепараторе 2 направляется в рукавный
фильтр 3, в котором осуществляется эффективная очистка газовоздушного
потока перед выбросом в атмосферу. Стеклянный порошок из бункера сепаратора 2 транспортируется в бункер питателя 5, из которого с помощью
воздушного эжектора 6 поступает в пневмотранспортную систему 14.
Транспортирование порошка в печь формования 7 осуществляется потоком
сжатого воздуха, нагреваемого отходящими газами в спиральном теплообменнике 15, установленном в верхней части печи формования. Отформованные микрошарики охлаждаются в потоке газов за счет подсоса
231
холодного атмосферного воздуха в верхней части печи формования. Отделение отформованных микрошариков от газовоздушного потока осуществляется последовательно в первом сепараторе 8 и втором сепараторе 9,
причем во втором сепараторе происходит выделение наиболее мелких
частиц. Стеклянные микрошарики, собранные в бункере сепаратора 8,
транспортируются в классификатор виброкипящего слоя 11, где происходит
разделение всей массы частиц по размерам на отдельные фракции,
улавливаемые в сепараторах (12.1-12.3). Газодинамический режим работы
установки формования и классификатора микрошариков по размерам обеспечивается работой хвостовых вентиляторов 10 и 13 соответственно.
Таким образом, рекуперация отходов стекла и стеклянного волокна имеет
большое значение для окружающей среды, экономии сырьевых материалов и
энергии (табл. 13.6). При этом целесообразность применения того или иного
способа рекуперации в первую очередь определяется возможностью
направленной их переработки в качестве сырья для основного производства
и создания замкнутых химико-технологических систем (модулей) с
использованием вторичных материальных ресурсов.
232
Сравнительные показатели микроизделий - стеклошариковТаблица
(СШ) и 10.1
микросфер (МС)
Наименование
показателей
Ед. изм.
1. Размеры частиц
МКМ
2. Плотность
r/CMd
3. Плавучесть, более
%
4. Светоотражение
%
ед. (по
Моосу)
6. Температура раз°С
мягчения
7. Состав стекла
5. Твердость
СШ
МС
40600
2,52,55
10200
0,240,40
5-10
—
7882
5-6
8083
—
650650730
730
алюмосиликатный
промышленные и бытовые отходы
стекла
8, Исходное сырье
9. Разброс по размерам
10 Стоимость
11. Производительность установки
Предлагаемый
вариант [4]
%
$/кг
кг/час
±4+6
±7+9
1
100
2
75
АО
АО «Новгород«Potters
«Пульс»
ский з-д стек- Industries Inc.»
(«Химлабловолокна»
(США)
прибор»), г.
Клин
СШ
МС
СШ
300-700
50-120
40-150
2,5
0,35-0,52
2,5
—
67-69
4-5
3-7
—
87-91
—
530-580
660-680
боронатрийсиликатны
кальций
й
силикатный
специальн специально
о
подготовподготов- ленный
ленная
расплав
стекломасса
±30+35
±40+50
1,5
30
—
4-5
40-45
9+7
2,5-3
13.2. Фильтровальная техника защиты биосферы от промышленных
выбросов порошковых и других технологий
Предложенные выше технические решения, направленные на интенсификацию малоотходных процессов порошковых технологий, как правило,
включают в свой состав аспирационные устройства, снижающие остаточное
количество вредных выбросов до предельно допустимых концентраций.
Учитывая (за счет создания новой и усовершенствования существующей
техники подготовки и переработки порошковых материалов - ПМ) планируемый рост объемов производства и соответствующее увеличение безвозвратных потерь ценных компонентов со шламом и сточными водами, за
основу производства принят сухой способ очистки пылегазовых потоков
технологического оборудования.
233
Стекольное производство
По результатам промышленных исследований режимов фильтрования
пылегазовых потоков в линиях измельчения карбонатного сырья и кварцевого песка разработан новый способ очистки и устройства для его реализации - фильтры рукавные (низкотемпературное - до 100 °С: ФРИ-30 (60, 90)
и высокотемпературное исполнение - до 350 °С: ФРИТ-30 (60, 90), обеспечивающие снижение запыленности газов на выходе из аппарата до 0,20
мг/м3 при гидравлическом сопротивлении Ар * 550 Па. Конструкция бункерного фильтра ФРИД-15 (25, 40) для газовых потоков с входной запыленностью 500 г/м3 также обеспечивает выполнение требований промышленной экологии [1].
Данные технические решения внедрены на ряде промышленных предприятий. На р и с. 13.7 показан общий вид фильтра серии ФРИ. Модульное
исполнение устройства обеспечивает его применимость как в технологических линиях, так и в системе общей аспирации производственных помещений. Конструкция отличается высокой эффективностью и обеспечивает
достижение ПДВ перерабатываемых ПМ. В та б л . 13.7 приведены основные показатели фильтра ФРИ-ЗОЛ в линии роторных (аэробильных)
измельчителей карбонатного сырья (см. рис
13.3).
Р и с . 13.7. Фильтр рукавный ФРИ-30: 1 - корпус; 2 фильтровальный элемент; 3 - узел регенерации; 4 - крышка, 5 - рукавная решетка; б - камера
234
очищенного газа; 7- камера запыленного газа; 8- патрубок ввода газа; 9- отражатель пыли; 70Таблица 10.1
патрубок выхода газа; 11 - бункер; 12- клапанная секция; 13- раздающая труба.
235
№
1.
Технические показатели фильтра ФРИ-ЗОЛ
Наименование показателей
Производительность (пропускная способность) по очищаемому газу, не менее
Единицы
измерения
м3/ч
Степень очистки, не менее
%
Массовая концентрация вег/м3
ществ в газовых выбросах: на
г/м3
3.1. входе, не более на выходе
3.2.
4.
кПа
Гидравлическое сопротивление, не более
5.
кПа
Разрежение очищаемого газа, не более
6.
°С
Температура очищаемого газа, не более
7.
мм
Габаритные размеры, не
более
8.
Энергетические затраты на кВт-ч
очистку 1000 м3/ч, не более
9.
Показатели надежности:
чч
установленная безотказная
наработка
9.1
ГОД
показатель ремонтопригодности
9.2
назначенный ресурс до капитального ремонта
9.3
2.
3.
236
Значение показателей
паспортные данные
по результатам
испытаний
3700
3770
99,99
500 0,02
99,97
65 0,018
3,0
1,06
8,0
U6
130
90
2328x4770x1985 2328x4770x1985
1,16
5000 36 5
0,723
5760 8
Способ промышленной реализации очистки пылегазовых выбросов в
зависимости от режимов работы рукавных фильтров, химического и гранулометрического составов шихт и их ингредиентов заключается в следующем. Запыленный поток газа поступает в корпус фильтра, проходит через
фильтрующие рукава, очищается от пыли и выбрасывается в атмосферу.
Время работы одного ряда рукавов в режиме фильтрации за один цикл составляет 2-5 мин и определяется временем, которое идет на продувку соседних рукавов и временем между продувками. Регенерация рукавов
фильтра осуществляется импульсной продувкой сжатым воздухом. При
достижении гидравлического сопротивления 0,6-1,5 кПа и создания дополнительного фильтрующего пылевого слоя с относительной толщиной
Ьф с/Ьтк = 0,5-1,2 проводят последовательно импульсную продувку при соотношении времени между регенерациями одного и того же ряда к времени
между регенерациями соседних рядов Тмр/Тср= 20-50. Период фильтрации
должен составлять 1,5-6 мин, а удельная нагрузка по газу - 0,5-2,5 м3/м2 мин.
Результаты заводских испытаний (на шихте для стекла «Е») сведены в
т а б л . 13.8, из которых следует, что рекомендуемые режимы фильтрации
способствуют увеличению срока службы рукавов на 30%, а эффективность
очистки растет с 99,4% до 99,9%.
Таблица 13.8
Результаты заводских испытаний
Наименование параметра
1. Толщина ткани h™, мм
2. Толщина пылевого слоя ha c , мм
3. Относительная толщина слоя ЬфС /Ь-п
4. Гидравлическое сопротивление Др, кПа
5. Продолжительность фильтрации Тмо , с
6. Продолжительность регенерации одного
ряда Трср, с
7. Тм р / Тр ср
8. Срок службы рукавов, мес.
9. Эффективность очистки, %
До усовершенствования
2
После
усовершенствования
2
2
2
1,8
0,9
1,2
2
0,11
1,8
0,9
1,2
3
0,10
2,4
1,2
1,5
5
0,12
2,8
1,4
1,7
6
0,15
20
5
99,4
30
8
99,8
35
8
99,9
50
7
99,9
Гальваническое и травильное производства
Фильтр предназначен для санитарной очистки аспирационного воздуха
от растворимых в воде аэрозольных частиц примесей в гальванических и
травильных производствах машиностроительных предприятий.
Волокнистый фильтр ФВГ-М (см. р и с . 13.8 и т а б л . 13.9) по сравнению
с аналогом ФВГГ имеет следующие преимущества [5]: меньшие габариты;
возможность очищать воздух как от аэрозолей кислот, так и от щелочей;
простота обслуживания (переснаряжение фильтрующей кассеты).
Таблица 13.9
Характеристики фильтров
Типоразмеры
фильтра
Производитель
ность, м3/ч
Масса, не бо
лее, кг
Габаритные
размеры, мм
238
ФВГ-М-0,37
ФВГ-М-0,56
ФВГ-М-0,74
ФВГ-М-1,6
ФВГ-М-3,2
5000
7000
10000
20000
40000
30
50
56
70
105
570х462х
х730
570х542х
х910
570х542х
570х782х
70х782х
х910
х987
х1485
Эффективность очистки составляет 90-95%, гидравлическое сопротивление фильтра составляет 500-700 Па. Применение фильтров позволяет
снизить выбросы в атмосферу токсичных веществ до норм ПДВ.
Принцип работы фильтра заключается в следующем. Жидкие и твердые,
растворимые в воде аэрозольные частицы, содержащиеся в очищаемом газе,
улавливаются волокнистой фильтрующей перегородкой. Уловленная
239
жидкость стекает в нижнюю часть перегородки и выводится из аппарата через
сливные штуцеры. Твердые частицы образуют осадок на фильтровальной
перегородке, что приводит к возрастанию гидравлического сопротивления
фильтра. При достижении определенной величины сопротивления
производится промывка фильтрматериала водой с обеих сторон. Промывные
воды через сливные штуцеры выводятся на станцию нейтрализации.
Возможна промывка фильтрующего элемента вне корпуса.
Фильтры изготавливаются в двух исполнениях. Исполнение 1 применяется в случаях, когда в очищаемом воздухе содержатся жидкие частицы,
которые требуют непрерывного вывода уловленной жидкости из корпуса
аппарата, например, для таких операций, как хромирование, травление нержавеющей стали в серной кислоте и др. В тех случаях, когда улавливаемые частицы кристаллизуются в газоходе до фильтра или непосредственно
на фильтрующей перегородке, то наряду с исполнением 1 возможно
применение фильтра исполнения 2. В этом случае промывка кассеты производится только вне корпуса, например, в процессах сернокислотного
никелирования, электрохимического обезжиривания и др. Периодичность
промывки зависит от концентрации улавливаемого продукта и
ориентировочно составляет 1 раз в 15-30 суток.
Механосборочное, металлообрабатывающее и электродное
производства
Фильтры (та б л . 13.10) предназначены для очистки воздуха от жидких
аэрозолей (СОЖ, масляного тумана и т.п.). Могут использоваться в комплекте с холодновысадочными автоматами, фрезерными, токарными и
другими металлообрабатывающими станками, а также в других
производствах, где образуются жидкие аэрозоли. Позволяют возвращать
уловленные СОЖ и масла в технологический процесс.
Таблица 13.10
Характеристики фильтров*
Типоразмеры фильтра
Производительность
емому воздуху, м3/ч
по
очища-
ФРМ-1500
1500
50
Концентрация жидкого аэрозоля,
мг/м3 на входе в фильтр
Масса агрегата, не более, кг
65
Габаритные размеры, мм
d = 700 h =
700
ФВА-М-2000
ФВМ-10
2000
10000
100
1000
260
1065x1020x2000
175
d = 1100 h
= 1940
* ФРМ-1500 - фильтр ротационный масляный, ФВА-М-2000 - фильтровентиляционный агрегат, ФВМ-10- фильтр волокнистый масляный.
О с н о в н ы е п р е и м у щ е с т в а : ФРМ-1500- малые габариты и простота
обслуживания; ФВА-М-2000 - высокая степень очистки; ФВМ - эффективное
240
использование в вентсистемах для централизованной очистки воздуха от
многих единиц оборудования.
Агрегат для отсоса и улавливания пыли АОУМ-ЮОО предназначен для
отсоса и очистки воздуха от абразивной пыли и других аэрозольных частиц
сухих пылей в механосборочных, металлообрабатывающих, электродных и
др. производствах при концентрации пыли до 3 г/м3 и размере частиц более 3
мкм. Позволяет возвращать очищенный воздух в атмосферу цеха с
соблюдением санитарных норм за счет использования высокоэффективных
фильтрующих материалов.
Агрегат в к л ю ч а е т [ 5 ] :
- д в е ступени очистки: 1-я с т у п е н ь - инерционный осадитель грубых
частиц и 2-я с т у п е н ь тонкой очистки от сухой пыли на рукавном фильтре с
механическим отряхиванием;
- бункер для сброса уловленной пыли с выгрузкой в контейнер;
- центробежный вентилятор типа ВЦ-14-46 с камерой шумоглушения.
По сравнению с аналогичными аппаратами ЗИЛ-900 и ПА-218 агрегат
АОУМ-ЮОО имеет с л е д у ю щ и е п р е и м у щ е с т в а :
- более высокая степень очистки;
- высокоэффективный механизм регенерации запыленных рукавов;
- наличие приборов контроля за насыщением фильтра;
- экономия тепла и электроэнергии за счет рециркуляции воздуха.
Лазерная и плазменная обработка металлов
Рекомендуется использовать фильтр складчатый кассетный ФСК для
улавливания тонкодисперсных пылей. Фильтр предназначен для очистки
воздуха и газов от аэрозольных частиц сухих (в т.ч. свинцовых, селено-кадмиевых и табачных) пылей при концентрации их в объеме до 50 мг/м 3 и
размере частиц от 0,3 мкм и более.
241
Фильтры могут использоваться для очистки воздуха и газов при электрои газосварке, лазерной и плазменной обработке металлов; при рассеве и
упаковке порошков тонкого помола, их обжиге и спекании, а также в
радиоэлектронной, медицинской, микробиологической и других отраслях
промышленности.
Фильтры ФСК обладают высокой (до 99,9%) степенью очистки воздуха
от вредных компонентов и обеспечивают возврат очищенного воздуха в цех
при соблюдении санитарных норм.
Фильтры выпускаются производительностью 1000-2000 м3/ч по очищаемым газам, имеют исполнение стационарное (ФСКст) и передвижное
(ФСКПВ). По желанию заказчика фильтры оснащаются предфильтром большой пылеемкости и постфильтром (химкассетой) для очистки воздуха от
вредных газовых компонентов.
Фильтрующая кассета имеет пылеемкость 250 г/м3 и способна накапливать до 5 кг пыли, после чего меняется на новую.
Производства с отходами в виде высокодисперсных твердых и
жидких аэрозолей
Рекомендуется использовать универсальные электростатические
фильтры Э Ф В А ( т а б л . 13.11), предназначенные для очистки воздуха от
сварочных, масляных и других высокодисперсных электронепроводящих
аэрозолей при их концентрации до 200 мг/м3 и размере частиц от 0,001 мкм
и более. Исполнение - передвижные автономные с вентиляторами и
полноповоротными воздуховытяжными устройствами и стационарные
производительностью от 1 до 40 тыс. м3/ч очищаемого воздуха. Степень
очистки воздуха от аэрозолей 93-99%. Фильтрующие кассеты из алюминия
легко регенерируются промывкой.
Таблица 13.11
Технические характеристики фильтров ЭФВА
Основные модификации
1-02
2-03
4-05
10-07
20-09
40-11
1.0
2,0
4,0
10,0
20,0
40,0
длина
1200
600
600
750
750
750
высота
1170
520
1000
1500
3000
3000
ширина
600
1000
1000
1500
1500
3000
Масса, кг, не более
115
75
150
325
650
1300
Производительность,
тыс. м3/ч, не более
Габаритные размеры, мм
О с н о в н ы е п р е и м у щ е с т в а : низкие эксплуатационные затраты,
малые габариты и аэродинамическое сопротивление, способность улавливать высокодисперсные твердые и жидкие аэрозоли.
242
13.3. Перспективные концепции ядерных технологий
Ядерная энергетика
Для массового внедрения ядерной энергетики необходимо разработать
новое поколение АЭС, которое бы полностью исключало попадание радионуклидов в окружающую среду при любых авариях на энергоблоке. В основу
положен многобарьерный принцип удержания радионуклидов в случае
аварии. П е р в ы й б а р ь е р - сама таблетка диоксида урана. Большая
часть продуктов распада удерживается в самой таблетке. В т о р о й б а р ь е р
- герметичная оболочка тепловыделяющих элементов (твэ- лов), которая
удерживает даже газообразные радионуклиды. Т р е т и й б а р ь е р плотно-прочные корпус реактора и трубопроводы первого контура,
которые удерживают радионуклиды в случае разгерметизации оболочки
твэлов. Четвертый барьер - массивная, прочная герметичная оболочка,
окружающая водо-водяные реакторы или здание реактора.
Р и с . 13.9. Принципиальная схема реакторной установки АСТ-500
Трехконтурная схема передачи тепла от реактора к потребителю
П е р в ы й к о н т у р полностью герметичен и находится внутри корпуса реактора, циркуляция по контуру естественная.
В т о р о й к о н т у р герметичен, циркуляция по контуру принудительная при нормальной
работе и естественная в аварийных режимах. Включает в себя паровой компрессор объема с
предохранительным устройством.
Давление в сетевом контуре выше, чем во втором.
Размещение реактора во втором прочном корпусе по принципу «матрешки» позволяет, в
случае разгерметизации основного корпуса реактора, сохранить активную зону под уровнем воды,
исключить плавление топлива, обеспечивает надежную локализацию радиоактивности в
минимальном объеме
Приоритетными направлениями перспективных АЭС является создание
такой системы безопасности, которая практически полностью исключала бы
влияние обслуживающего персонала на ход остановки и расхолаживания
реактора в случае аварии. Такой подход позволит в перспективе иметь
реактор с внутренне присущей безопасностью. В наибольшей степени в
настоящее время этому принципу соответствует проект атомной станции
243
теплоснабжения (АСТ-500), принципиальная схема имеет шесть защитных
барьеров) которой представлена на р и с . 13.9. Атомная станция теплоснабжения проектировалась для строительства в непосредственной близости
к крупным городам. Поэтому ACT удовлетворяет наиболее строгим
требованиям по обеспечению безопасной работы энергоблока [В].
Окончательное удаление радиоактивных отходов (РАО)
Хранилище для окончательного удаления РАО часто называют могильником. Хотя такое хранилище непременно должно содержать средства контроля за миграцией радионуклидов, а также технические барьеры для препятствий этой миграции. Конструкция хранилища и его расположение (планировка) различны для разных категорий отходов (см. рис. 11.5). Для низкоактивных отходов можно строить приповерхностные и наземные сооружения; для среднеактивных предлагается строительство подземных специальных хранилищ; для высокоактивных предполагается их удаление в
глубокие геологические формации, возраст которых составляет сотни миллионов лет.
13.4. Вторичная переработка и уничтожение продуктов оборонной
промышленности.
Конверсионные технологии
Ядерное оружие - переработка плутония оружейного качества
Разработан простой технологический процесс перевода плутония оружейного качества в смешанное уран-плутониевое топливо ядерных реакторов
типа БН и ВВЭР, основанный на использовании пирохимических процессов в
расплавленных солевых системах [7].
О с о б е н н о с т и т е х н о л о г и и ( р и с . 13.10):
- высокая скорость растворения плутония;
- минимум химических операций по очистке и конверсии плутония в оксидное топливо;
- компактность оборудования;
- минимум радиактивных отходов;
- возможность получения различных видов топлива:
гранулят - для виброуплотненных твэлов;
мелкодисперсный порошок - для изготовления таблеток.
244
Химическое оружие (ХО)
В соответствии с Конвенцией о запрещении разработки, производства,
накопления ХО и его уничтожения прелагаются десятки отечественных и
зарубежных технологий вторичной переработки и уничтожения основных
отравляющих веществ (ОВ), среди которых особое место в связи с их высокой
токсичностью занимают кожно-нарывные и нервно-паралитические ОВ.
Наиболее сложным в технологическом оформлении является уничтожение
ОВ в боевых оболочках.
В США используют два метода уничтожения: химическая нейтрализация и
высокотемпературное сжигание (рис. 13.11). В основу этих технологий
заложены с л е д у ю щ и е м е т о д ы уничтожения ХО: термические - пиролиз
(высокотемпературный и паровой) и сжигание (в снаряде, вылив ОВ в печи);
химический и электрохимический; плазменный; лазерный; криогенный;
биологическая детоксикация и уничтожение ядерным взрывом. Пример
реализации одного из методов представлен на р и с. 13.12.
245
Всесторонний анализ рассмотренных методов уничтожения ХО позволил
американским специалистам выбрать в качестве базового метода прямое
246
сжигание ОВ в специальных печах при высоких температурах. Этот метод
прошел экспериментальную проверку и был реализован на установке
JASADS.
В РФ разработан и экспериментально подтвержден способ взаимоутилизации ОВ типа люизит и отвального гексафторида урана - отхода атомной
промышленности [8].
Производство порохов
Конверсия пороховых заводов осуществляется по двум направлениям
[91:
1. Продолжение выпуска порохов в мирных целях для различных отраслей
промышленности.
2. Организация на базе пороховых заводов выпуска товаров народного
потребления.
Вторичное использование баллиститного пороха основано на том, что он
является конденсированным источником энергии, которая может быть
выделена в следующих трех режимах: горения, детонации и газификации.
Режим горения используется для изготовления зарядов двигателей ракет
широкого назначения, фейерверков, МГД-генераторов и др.
Режим детонации - взрыв может совершать как разрушительную, так и
созидательную работу (синтез алмазов, резка металла, промышленные
взрывчатые вещества).
Режим газификации обеспечивает управляемую генерацию газов по
требуемому режиму (изготовление различного типа газогенераторов, аккумуляторов давления).
Выпуск гражданской продукции на базе вторичного использования баллиститного пороха (в том числе и снимаемых с вооружения пороховых зарядов) п о з в о л я е т :
- использовать пороха для добычи нефти, в геологии, для горных и других
работ;
- осуществлять поиск полезных ископаемых методом сейсмоэффекта;
- применять пороховые аккумуляторы давления (ПАД) и газогенераторы
давления (ГГ) в установках для тушения пожаров;
- использовать пороха для импульсной обработки металлов; резки громоздких металлоконструкций; упрочнения материалов направленным взрывом и др.
- применять пороха для синтеза алмазов, корунда, нитрида бора и других
сверхтвердых материалов.
- использовать пороха в системах для борьбы с градом, громом, дождем и
повышения ресурсов водообеспечения засушливых районов, а также в
качестве зарядов для метеорологических и геофизических ракет типа
«Алазань», «Кристалл» и др.
Основные направления конверсионных технологий:
247
1. Производство различного вида лакокрасочной продукции, основанной
на использовании в качестве сырья нитроклетчатки и, в первую очередь,
коллоксилина.
2. Выпуск различных декоративно-отделочных материалов, например,
линолеума на основе нитроклетчатки или поливинилхлорида.
3. Производство клеящих, чистящих и моющих веществ.
4. Производство медицинских, парфюмерно-косметических препаратов и
др.
Характерной особенностью новых разработок является их реализация на
основе двойных, наукоемких и автоматизированных технологий, что должно
явиться гарантом конкурентоспособности, постоянного спроса и экологической чистоты изделий.
13.5. Оригинальные технологии (новые принципы) снижения акустического
загрязнения окружающей среды
В РФ разработаны и действуют 80 стандартов, устанавливающих требования к нормированию, измерению и снижению шума. Человек подвергается действию повышенного шума чаще всего на транспортных средствах, в
жилой застройке и на рабочих местах.
Современная виброакустика предлагает с л е д у ю щ и е с р е д с т в а
з а щ и т ы от шума:
- Улучшение качества воспринимаемого звука - методика базируется
на понимании, что шум разного частотного состава (тембра), но
одинаковый по уровню звука, воспринимается по-разному. Психоакустиками доказано, что разница в восприятии может достигать 10-14 ДВА
[10].
- Активная шумозащита, принцип которой основан на интерференции
звуковых волн при их наложении. Эта мера осуществляется путем
генерирования звуковой энергии дополнительным источником.
В развитых странах выпуск специальных устройств активной шумозащиты налажен в широких масштабах. В т а б л . 13.12 приведены некоторые
примеры использования активной шумозащиты [11].
Таблица 13.12
248
Продолжение таблицы 13.12
Анализ приведенных данных показывает, что активная шумозащита
обеспечивает снижение УЗД на 7-15 дБ на низких частотах. Это большое
преимущество активной шумозащиты, так как так называемая пассивная
шумозащита наименее эффективна именно на низких частотах. Наиболее
эффективно применение активных средств в совокупности с пассивными.
13.6. Решение проблемы электромагнитной безопасности населения
Линии электропередач (ЛЭП)
Для защиты населения вдоль ЛЭП устанавливаются санитарно-защит- ные
зоны, в пределах которых запрещается строить жилые и общественные
здания. Границы таких зон вдоль трассы ЛЭП с горизонтальным расположением проводов и без средств снижения поля (по обе стороны от нее)
устанавливаются на следующих расстояниях от проекции на землю крайних
фазных проводов в направлении, перпендикулярном к ЛЭП напряжением [12]:
- 330 кВ
20 м
- 500 кВ
30 м
- 650 кВ
40 м
- 1150 кВ
55 м
Радиопередающие устройства
Границы санитарно-защитных зон вблизи излучающих систем определяются в зависимости от частоты и мощности излучения [13].
Мониторы с электронно-лучевыми трубками (ЭЛТ) персональных
ЭВМ (ПК)
ЭЛТ являются источниками ЭМИ весьма широкого диапазона частот.
Порождаемое ЭЛТ низкочастотное, высокочастотное, инфракрасное, видимое световое, ультрафиолетовое и рентгеновское излучения требуют специального анализа и специфических экозащитных мероприятий. Основными
249
источниками ЭМП в НЧ и ВЧ диапазонах являются экран монитора, питающие провода (разъемы) и системный блок (рис. 13.13).
Излучение монитора должно укладываться в нормы ГОСТ Р 50949-96 и
СанПиН № 2.2.2.542-96 [14], которые в основном соответствуют известному
шведскому стандарту безопасности MPR II (Swedish National Board of
Measurements and Testing), принятому в конце 1990 г. Данный стандарт
разработан на принципе ALARA («As Low As Rationally Achievable» - «Столь
низко, как разумно достижимо»), и учитывает комплексное воздействие на
оператора многих психофизиологических и физических факторов, включая
ЭМП естественного происхождения. Мониторы ведущих стран с маркировкой
«Low Radiation» оснащены встроенными средствами защиты и в полной мере
отвечают требованиям Международной организации по стандартизации ISO
(International Organization for Standardization). Новым направлением является
применение металлизированных покрытий, экранизирующих волокон,
наносимых изнутри на стенки корпуса монитора, а также специальный состав
стекла, из которого сделан экран ЭЛТ. Данные технические решения снижают
уровень электростатического поля в 10-100 раз, а переменных электрических
и магнитных полей - в 2-5 раз по сравнению с незащищенными моделями
мониторов.
Дополнительным мероприятием остается использование экранных
фильтров. Наивысшую степень защиты (по зарубежным данным)
обеспечивают с л е д у ю щ и е ф и л ь т р ы :
Эргостар (РФ), Polaroid (Англия), CP-Workstation (США), АЗФ-1 «Эргон»
(РФ), «Русский щит» (РФ).
250
ПК с жидкокристаллическим экраном не имеют источников мощного
излучения ЭМП и при работе от аккумуляторов практически безопасны. При
работе от сети блок питания необходимо размещать не менее 1,2 м от
пользователя.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Калыгин В.Г., Попов Ю.П. Порошковые технологии - экологическая безопасность и ресурсосбережение. М ■ Изд-во МГАХМ, 1996. 212 с.
2. Чехов О.С., Назаров В.И., Калыгин В.Г. Вопросы экологии в стекольном производстве. М : Легпромбытиздат, 1990 144 с.
3. Калыгин ВТ. Вторичная переработка стеклобоя: технологии, оборудование,
товарная продукция и экологическая безопасность//Новое в экологии и
безопасности жизнедеятельности. СПб.: Изд-во БГТУ, 1998. Т. 2. С, 575-576.
4. Патент РФ № 2081858. Способ получения стеклянных микрошариков/Будое
В.В., Калыгин В.Г., Гусев Г.В и др Регистрация 20.06.97. Приоритет 21.10.93.
5. Каталог «Промышленное оборудование для очистки воздуха». М.: Элстат,
1997.
6. Преображенская Л.Б., Зарубин В.А., Никандрова А.В. Популярно о ядерной
энергетике. М.: ИздАТ, 1993. 48 с.
7. Утилизация плутония оружейного качества. Проспект НИИАР. Димитровград10- ГНЦРФ НИИАР, 1998.
8. Пушкин И.А. Проблемы уничтожения (утилизации) химического оружия в Российской Федерации//Экология и промышленность России. 1998 Декабрь. С. 37—40.
9. Смирнов П Л . Оборудование для производства баллиститных порохов по
шне- ковой технологии и зарядов из них. М.: Изд-во МГАХМ, 1997. 192 с.
10 Шик А. Психологическая акустика в борьбе с шумом/Под общ. ред. Н.И. Иванова. СПб: Изд-во БГТУ, 1995. 224 с.
11. Иванов Н.И. Проблема акустического загрязнения окружающей среды//Новое
в экологии и безопасности жизнедеятельности. СПб.: Изд-во БГТУ, 1998. С. 60-71.
12. Рудаков М.Л. Электромагнитные поля и безопасность населения. СПб.: Русское географическое общество. 1998. 32 с.
13. Методические указания № 4.3.044-96. Определение уровней электромагнитного поля, границ санитарно-защитных зон и ограничения застройки в местах
размещения передающих средств радиовещания и радиосвязи кило-, гекто- и
декаметро- вого диапазонов. М.: Госкомсанэпиднадзор России, 1996,
14. Санитарные правила и нормы № 2.2.2.542-96. Гигиенические требования к
видеодисплейным терминалам, персональным электронно-вычислительным
машинам и организации работ. М.: Госкомсанэпиднадзор России, 1996.
i
ч
* - пыль перед системой газоочистки; ** - пыль из
бункера батарейного циклона; *** - пыль из
бункера электрофильтра;
На р и с. 8.3а показаны пути проникновения
шума {воздушного и структурного) при
нахождении его источников как снаружи, так и
внутри здания, а на р и с. 8.36 - пути
проникновения шумов из шумного помещения
в тихое помещение. От наружного или
внутреннего источника воздушный шум
проникает через окна и стены, а вибрации
передаются по грунту, трубопроводам и
строительным
конструкциям,
колебания
которых вызывают появление структурного
шума.
