CC BY
283
УДК 504:621(075,8)
ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛА
© В.А. Ермолаева
Ключевые слова: очистка и окраска металлопроката, загрязнение атмосферы, адсорбер.
Проанализирован технологический процесс предварительной обработки металла как источник загрязнения окружающей среды, произведен расчет выбросов загрязняющих веществ в атмосферу, предложена установка дополнительного оборудования для очистки воздуха, произведен расчет адсорбера и необходимой толщины слоя адсорбента, проведено экономическое обоснование разработки системы экологической безопасности.
АКТУАЛЬНОСТЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ
Промышленность во всем мире развивается быстрыми темпами. В свете возрастающего числа экологических и техногенных катастроф все более актуальными становятся вопросы безопасности функционирования целых производств и отдельных технологических процессов [1-2]. Особенно важны вопросы уменьшения воздействия технологических процессов на природную среду.
Целью работы является разработка системы мероприятий, снижающих уровень воздействия производственных факторов на окружающую среду, здоровье и работоспособность операторов автоматизированной линии участка лакокрасочного покрытия. Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи: проведен анализ технологического процесса как источника загрязнения окружающей среды и производственных опасностей, разработана система экологической безопасности и организационно-экономическое обеспечение системы безопасности жизнедеятельности.
ХАРАКТЕРИСТИКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА
Проведен анализ технологического процесса предварительной обработки (очистки и грунтования) металла, рассмотрены его физико-химические основы. Участок предварительной обработки металла включает в себя: конвейер на входе, камеру обогрева, дробемет-ную камеру, окрасочную камеру, камеру сушки и рольганги между камерами и на выходе. Все оборудование находится в основном производственном помещении. Вспомогательной площадкой для данного участка является участок складирования листового проката и профиля. Металл, прошедший обработку, сначала поступает на участок складирования, а далее на плазменную резку. Технологический процесс очистки и грунтования металлопроката выполняется на линии «Rosler» и включает в себя: обезжиривание при наличии масляных пятен - вручную; обдув поверхности с помощью узла обдува; подогрев листового и профильного металлопроката до 40-70 °С в камере обогрева; очистку дробью от окалины и ржавчины в дробеметной
камере; грунтование методом безвоздушного распыления в камере окраски; сушку в камере сушки; пооперационный контроль качества.
Подробно рассмотрено основное технологическое оборудование и его технические характеристики. Назначение линии «Rosler» - очистка стального металлопроката от окалины и ржавчины с последующей его грунтовкой и сушкой покрытия. Камера обогрева предназначена для разогрева и сушки холодного и возможно влажного металлопроката, за счет чего обеспечивается защита дробеметной установки от влажности, ускоряется процесс сушки после грунтовки в камере окраски, равномерная окраска. Дробеметная камера предназначена для очистки металлопроката от окалины и ржавчины с помощью дроби. Для очистки должна применяться круглая стальная дробь 0,8-1,2 мм. Дро-беметная система состоит из 6 дробеметных турбин, выполненных для оптимального ускорения дроби, каждая турбина позиционирована так, чтобы факелы дроби не пересекались. Диаметр колеса турбины: 420 мм, приводная мощность турбин по 22 кВт, скорость метания дроби до 80 м/с, общая циркуляция дроби до 1500 кг/мин. Окрасочная камера предназначена для окраски, грунтования очищенного металлопроката методом безвоздушного распыления [3].
Камера сушки представляет собой полностью изолированный туннель и предназначена для сушки металлопроката в короткий срок, чем обеспечивается непрерывный производственный процесс и исключается возможность повреждения покрытия. Компоновка оборудования линии определяется с учетом минимально допустимых расстояний между отдельными единицами оборудования, обеспечивающих нормальные условия для монтажа, эксплуатации и ремонта оборудования. Условия соответствуют следующим параметрам:
- расстояние между технологическим оборудованием и стеной 3 м;
- ширина проходов, достаточная для беспрепятственного движения персонала, в среднем 2 м;
- дробеметная и покрасочная камеры расположены в ряд с минимальными расстояниями между ними, передвижение листов осуществляется механически.
В работе дана характеристика сырья, используемых материальных и энергетических ресурсов, балансовая
схема материальных и энергетических потоков. В дро-беметной камере используется дробь стальная литая фракция S330 (размер 0,6-1,18) - 0,2 кг/м2. Микроструктура - мартенсит, форма сферичных зерен 95 %, плотность 7,4 г/см3, твердость 392-530 HV. Химический состав дроби: С 0,85-1,2 %, Si 0,85-1,2 %, Мп 0,85-1,2 %, S 0,05 %, Р 0,05 %. Для грунтования используется грунтовка Мик Z-2001. Это двухкомпо-нентный модифицированный цинкэтилсиликатный межоперационный грунт с низким содержанием цинка. МиН 7-2001 рекомендуется использовать в качестве межоперационного грунта для защиты стали после очистки на дробеметной линии, во время транспортировки, хранения и сборки.
Материально-энергетический баланс технологического процесса составлен на основании определения вида и количества потребляемых материальных ресурсов и энергии. По результатам расчета материального баланса технологического процесса производственные потери составляют 15765,92 кг/год. Потери образуются в результате испарения растворителей и образования металлической пыли от деталей и дроби. Анализ энергетического баланса показывает, что потери энергии составляют 5785,75 кВт/мес.
АНАЛИЗ ОПАСНОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА
Рассмотрены физико-химические основы данного технологического процесса. Значительное количество применяющихся материалов является твердыми телами, которые в ходе производственного процесса подвергаются увлажнению, нагреванию и охлаждению, наблюдается не только передача теплоты, но и одновременное перемещение веществ. Физико-химические особенности процесса грунтования:
- нагрев - сопровождается выделением вредных веществ, данный тепловой процесс представляет производственную опасность;
- дробление - образование металлической пыли в результате крошения дроби при обработке металлических листов; этот механический процесс представляет собой производственную опасность и является одной из причин формирования профессионального заболевания;
- испарение - образование паров вследствие повышенной температуры в зоне сушки; данная физическая особенность процесса может стать причиной профессионального заболевания, вызвать отравления вредными веществами, а также оказывает существенное влияние на загрязнение воздуха рабочей зоны.
Безвоздушное распыление лакокрасочных материалов сопровождается менее интенсивным загрязнением воздушной среды рабочего помещения парами растворителей и красочного аэрозоля по сравнению с методами ручного распыления. Наиболее вредные компоненты лакокрасочных материалов: растворители и разбавители (50-70 %), отвердители для эпоксидных и полиуретановых материалов, некоторые пигменты (особенно свинец содержащие), пластификаторы и синтетические смолы.
Используя результаты рассмотрения физико-химических основ технологического процесса, составления материально-энергетического баланса и основные положения энергоэнтропийной концепции аварийности и травматизма было определено, на каких этапах
производственного процесса, в каком виде может произойти несанкционированное и неконтролируемое выделение энергии (электрической и механической). Электрическая энергия может явиться причиной возникновения несчастного случая - поражения оператора электрическим током, вследствие плохой изоляции проводников или пробоя на корпус. В результате неуправляемого выхода кинетической энергии движущихся механизмов производственная опасность может проявиться в травмировании движущимися частями оборудования.
Определенные этапы технологического процесса сопровождаются непосредственным влиянием на окружающую среду. Предварительный нагрев поверхности металлических листов сопровождается повышением температуры окружающей среды. Очистка металлических поверхностей дробью сопровождается выделением металлической пыли. При грунтовании и окраске изделий выделяются загрязняющие вещества, удаление которых осуществляется через вентиляцию, оснащенную системой очистки.
РАСЧЕТ ВЫБРОСОВ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ
Система очистки воздуха на линии «Rosier» применяется на этапах удаления окалины и ржавчины в дробеметной камере и при грунтовании в камере окраски. На участке нанесения лакокрасочных материалов в ходе технологического процесса в атмосферный воздух осуществляется выброс достаточно вредных загрязняющих веществ (табл. 1). Произведен расчет выбросов от устройства подогрева листов перед окраской, расчет выбросов от дробеметной камеры, выбросов от окрасочной камеры (табл. 1).
Согласно расчетным данным можно сделать вывод, что при нормальном функционировании оборудования и проведении технологического процесса концентрации загрязняющих веществ в воздухе рабочей зоны невелики и не превышают ПДК. Данные по приземным концентрациям загрязняющих веществ приведены в табл. 2.
Таблица 1
Итоговый результат расчета выбросов загрязняющих веществ
Вредное вещество Валовый Максималь- Установленные
выброс, но разовый нормативы
т/год выброс, г/ с ПДВ, т/год
Ацетон 0,156 0,019 2,670
Аэрозоль краски 0,041 0,005 -
Бутилацетат 0,780 0,082 2,799
Бутиловый спирт 0,334 0,039 3,173
Толуол 0,114 0,132 4,475
Этиловый спирт 0,223 0,027 2,982
Этилцеллозоль 0,178 0,021 0,814
Спирт
пропиловый 10,55 0,963 15,216
2-метокси-1-
метилэтилацетат 0,891 0,106 3,547
Этанол 1,665 0,139 2,982
Ксилол 0,557 0,066 2,597
Этилбензол 0,223 0,027 0,472
Таблица 2
Концентрации загрязняющих веществ
Вредное вещество ПДК, г/м3 Фактические значения
Ацетон 0,2000 0,1900
Аэрозоль краски 0,0050 0,0045
Бутилацетат 0,2000 0,1970
Бутиловый спирт 0,0100 0,0079
Толуол 0,0500 0,0483
Этиловый спирт 1,0000 0,7892
Этилцеллозоль 0,0100 0,0093
Спирт пропиловый 0,0100 0,0090
2-метокси-1-
метилэтилацетат 0,0004 0,0001
Ксилол 0,0500 0,0380
Этилбензол 0,0200 0,0147
Оксид углерода 0,0200 0,0048
Азота диоксид 0,0050 0,0039
Бенз-а-пирен 0,00001 0,000009
Согласно данным по приземным концентрациям загрязняющих веществ превышения ПДК в атмосферном воздухе не обнаружено.
ОБОСНОВАНИЕ НЕОБХОДИМОСТИ И ВЫБОР МЕТОДА ОЧИСТКИ ВЫБРОСОВ В АТМОСФЕРУ
Из расчетных данных и результатов проведенных замеров концентраций вредных веществ следует, что существующая система очистки позволяет значительно снизить концентрации вредных веществ, образующихся от данного вида лакокрасочного материала, но фактические значения некоторых выбросов довольно близки к предельно допустимым нормам.
Покрасочный автомат предусматривает использование краски как на водяной основе, так и на основе растворителя, но установленные системы очистки предусмотрены только для краски с содержанием растворителя не более 250 г/л. Данное условие ведет к ограничению в:
- выборе лакокрасочных материалов, особенно в ценовой категории;
- использовании в полной мере данного технологического оборудования, т. к. исключена возможность окраски других изделий только по причине невозможности использования нужного лакокрасочного материала.
Уменьшить концентрацию загрязняющих веществ, а также устранить выбросы, которые возникают при использовании других лакокрасочных материалов, возможно при установке дополнительного оборудования. Для выбора наилучшего оборудования очистки произведено математическое моделирование, в котором учтены основные параметры оборудования. Одним из рассмотренных в математическом моделировании вариантов очищающих устройств является адсорбер, для которого по методике [4] произведен расчет при следующих условиях: расход паровоздушной смеси 8,33 м3/с; температура паровоздушной смеси 20 °С; атмосферное давление 735 мм рт. ст.; начальная концентрация бутилацетата в воздухе ун = 0,0002 кг/м3; допустимая концентрация бутилацетата за слоем адсорбента (концентрация проскока) ук = 0,00003 кг/м3;
тип аппарата кольцевой адсорбер; сопротивление мас-сопередаче сосредоточено в газовой фазе.
В качестве адсорбента выбран активный уголь марки АР-А в соответствии со свойствами, пористой структурой и назначением. Этот уголь легко регенерируется. Рассчитана необходимая толщина слоя адсорбента Нсл 0,68 м, которая определяется размерами концентрических решеток, заключающих угольную шихту. Эта высота значительно превышает высоту работающего слоя (зоны массопередачи), что исключает возможность проскока адсорбтива. Высота решеток, обеспечивающая сечение, через которое проходит исходная смесь, определяется производительностью аппарата и скоростью газового потока. Пользуясь равновесными значениями по адсорбции бензола - стандартного вещества - на активном угле АР-А, рассчитаны соответствующие значения для бутилацетата [4]. Фиктивная скорость паровоздушной смеси в адсорбере
0.23 м/с. Скорость потока больше 0,3 м/с нецелесообразна вследствие возрастания гидравлического сопротивления. При необходимости уменьшения скорости следует заложить в расчет большую высоту концентрических решеток. Рассчитана необходимая продолжительность стадии адсорбции и эффективность адсорбера. Эффективность очистки составляет 99 %, следовательно, выбросы вредных веществ в атмосферу будут очень малы и не нанесут вреда окружающей природной среде.
Проведено экономическое обоснование разработки системы экологической безопасности: расчет затрат на обеспечение экологической безопасности, сравнение результата от создания системы безопасности и затрат, выводы об эффективности разработки. В состав затрат на внедрение оборудования включены: затраты на разработку системы безопасности, затраты на приобретение необходимых устройств, затраты на материалы, необходимые для монтажа системы, транспортные расходы, заработную плату рабочих, осуществляющих монтаж системы. Таким образом, обеспечение экологической безопасности обойдется предприятию в 760 тыс. рублей. Срок окупаемости составит 17,2 лет.
Основным результатом создания системы экологической безопасности является дополнительная возможность получения предприятием прибыли от совершенствования технологического процесса.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ
Предложено оборудование для усовершенствования системы защиты природной среды от воздействия производства, разработана система обеспечения экологической безопасности.
Существует множество современных технологий, имеющих небольшое воздействие на работающих и окружающую среду. Они внедрены и успешно функционируют, однако не удается полностью избежать их воздействия. Поэтому и для таких процессов необходимы усовершенствования, внедрение дополнительных современных систем очистки, расширение производственных возможностей для использования данного технологического оборудования.
ЛИТЕРАТУРА
1. Ермолаева В.А. Мероприятия по снижению шумового загрязнения
при проведении технологического процесса нарезки резьбы //
Машиностроение и безопасность жизнедеятельности. 2013. № 2. С. 4-8.
2. Ермолаева В.А., Козикова И.В. Расчет теоретически необходимой толщины слоя и объема катализатора для очистки газовых выбросов сложного состава // Машиностроение и безопасность жизнедеятельности. 2011. № 1. С. 4-7.
3. Фирма «Рослер». Дробеметная, дробеструйная техника. URL: http://www.rosler.ru (дата обращения: 20.05.2014).
4. Ломова О.С. Расчет массообменных установок нефтехимической промышленности: учеб. пособие. Омск: Изд-во ОмГТУ, 2010. Ч. 2. 84 с.
Поступила в редакцию 30 августа 2014 г.
Ermolaeva V.A. ENVIRONMENTAL ASPECTS OF TECHNOLOGICAL PROCESS OF METAL PRETREAT-MENT
Abstract: the analyzed the technological process of preliminary processing metal as a source of environmental pollution, calculation of emissions of pollutants into the atmosphere, the proposed installation of additional equipment for air cleaning, calculated the adsorber and the required thickness of the adsorbent layer, conducted economic feasibility of developing a system of ecological safety.
Key words: cleaning and painting of metal, atmospheric pollution, the adsorber.
Ермолаева Вера Анатольевна, Муромский институт (филиал) Владимирского государственного университета им. А.Г. и Н.Г. Столетовых, г. Муром, Владимирская область, Российская Федерация, кандидат химических наук, доцент кафедры техносферной безопасности, e-mail: ErmolaevaVA2013@mail.ru
Ermolaeva Vera Anatolevna, Murom institute (branch) Vladimir State University of named after Alexander and Nikolay Stoletovs, Murom, Vladimir region, Russian Federation, Candidate of Chemistry, Associate Professor of Technosphere Security, e-mail: ErmolaevaVA2013@mail.ru
