CC BY
91
Расчетное обоснование уровня защищенности воздушной среды от негативного воздействия мелкодисперсной пыли предприятий по производству гипсовых строительных материалов
А.В. Азаров
Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет
Аннотация: Негативное воздействие на окружающую среду предприятий промышленности строительных материалов определяется поступлением в окружающую среду взвешенных твердых частиц различного размера. Решение проблемы повышения уровня защищенности воздушной среды от негативных воздействий источников выбросов предприятий строительного производства во многом зависит от получения и обработки исходных данных о дисперсных характеристиках пыли, выделяющейся в атмосферный воздух от различных источников пылевыделения, что сделает возможным разработку мероприятий по повышению уровня защищенности воздушной среды от мелкодисперсной пыли.
Ключевые слова: частицы, дисперсный, мелкодисперсная, гипс, выбросы, источник, пылевыделение, неорганизованный, эффективность, концентрация, воздух.
В настоящее время повышаются требования к экологической безопасности, в том числе, к сокращению негативного техногенного воздействия на атмосферный воздух предприятиями стройиндустрии и промышленности. [1]
Количество выделяемой в атмосферный воздух пыли гипсового производства в первую очередь зависит от мощности предприятий. Мощность предприятий по производству гипсового вяжущего и переработке гипсового сырья определяется количеством: добываемого гипсового камня; гипсового камня перерабатываемого в течение суток; дробленного гипсового камня отгружаемого на открытые склады; сырого измельченного гипса отгружаемого сторонним потребителям; переработанного сырого измельченного гипса. Значения основных показателей мощности гипсового производства представлены в таблице №1.
В технологии производства гипсового вяжущего (гипса) применяют следующие операции: дробления камня (дробилка), измельчения (помола) и
сушки гипсовой щебенки в мельницах (совмещение процессов), тепловая обработка в гипсоварочном котле (печи) гипсовой муки. Характеристика выбросов напрямую связана с производимыми операциями, свойствами используемого сырья, методом производства и типом применяемого оборудования для поддержания уровня защищенности воздушной среды. [2]
На сегодняшний день объемы выбросов предприятий по добыче и переработки гипсового камня составляют 200-1000 тонн в год. Гипсовая пыль в общем объеме выбросов предприятий по производству гипсового
вяжущего составляет 60-80%.
Таблица №1
Значения основных показателей мощности гипсового производства
Наименование показателя Единица измерения Значение
Добыча гипсового камня т/год 1000000 - 3000000
Перерабатываемый т/сутки 2000 - 10000
гипсовый камень т/год 500000 - 2500000
Дробленный гипсовый камень отгружаемый на т/год 500000 - 2500000
открытые склады
Отгружаемый сырой измельченный гипсовый т/год 500000-1500000
камень
Перерабатываемый сырой измельченный т/год 200000-1000000
гипс
Для оценки степени дисперсности выбросов могут быть использованы различные характеристики, например, наименьший и наибольший размер частиц, разность между наибольшим и наименьшим размерами, средний размер частиц, удельная поверхность и др. Однако наиболее полно дисперсность характеризуется дисперсным (гранулометрическим, зерновым) составом. [3]
По результатам исследований В.Н. Азарова, А.Б. Гробова, В.И. Боглаева, Н.А. Маринина и ряда других исследователей показано, что
наиболее крупные фракции пыли в производстве гипсового вяжущего выделяются от гипсоварочного котла и мельницы гипса (размеры частиц могут достигать 170 мкм и более), высокое содержание пыли фракции 0-10 мкм (мелкодисперсной пыли) зафиксировано в атмосферном воздухе открытого склада хранения (от 4% до 90%). [4-7]
Постановлением Главного государственного санитарного врача РФ от 19.04.2010 № 26 введено в действие Дополнение № 8 к ГН 2.1.6.1338-03 «Предельно допустимые концентрации (ПДК) загрязняющих веществ в атмосферном воздухе населённых мест», согласно которого определены ПДК взвешенных частиц размером РМ10 (0-10 мкм) - 60 мкг/м и РМ2,5 (0-2,5 мкм) 35 мкг/м . Однако, по данным зарубежных исследователей концентрация пыли РМ2;5 5 мкг/м приводит к увеличению рисков возникновения сердечных приступов на 13%. [8]
Одним из методов минимизации негативного воздействия на атмосферу является установление санитарно-защитных зон предприятий, организованных в соответствии с требованием законодательства.
На основании анализа проектной документации ряда предприятий (ООО «КНАУФ ГИПС КУБАНЬ»; ООО «КНАУФ ГИПС КОЛПИНО»; ООО «ВОЛМА - Майкоп» и др.) были определены средние значения количества выбросов загрязняющих веществ для основных этапов технологического процесса производства гипсового вяжущего без вспомогательных производств: цех №1 - производство гипсового камня, цех №2 - производство гипсового вяжущего. В состав типового производства входят 34 источника выброса в атмосферный воздух из них 19 организованных и 15 неорганизованных, 11 источников выбросов оборудованы системами пылеулавливания. В полученном варианте расчета максимально разовое значение выброса на источниках в атмосферный воздух составляет 14,5993 г/с, валовое значение выбросов составляет 209,3549 т/год. По результатам
проведенных расчетов вклад неорганизованного источника выброса (открытого склада хранения гипсового камня) в общую концентрацию пыли гипса (до 3 мг/м ) в контрольных точках на границе санитарно-защитной зоны предприятия может достигать 75 % .
Дисперсные характеристики пыли в выбросах определены с помощью программы для ЭВМ «БшИ» [9, 10] и устройств для определения дисперсного состава пыли [11, 12] по методике микроскопического анализа дисперсного состава пыли с применением персонального компьютера. Методика микроскопического дисперсионного анализа с применением ПК предназначена для измерений величины пылевидных частиц путем фотографирования через микрофотоприставку образцов, увеличенных под микроскопом в 100-150 раз, и дальнейшего расчета дисперсионного состава пыли, выделяющейся в атмосферный воздух, диапазон измеряемых пылевидных частиц от 0,5 до 100 мкм. [13]
По результатам исследований установлено: диапазон изменения крупности для пыли, выбрасываемой от неорганизованного источника выброса - открытый склад хранения дробленного гипсового камня (статическое хранение, пересыпка) составляет от 0 мкм до 85 мкм; диапазон значений медианного диаметра й50 составляет от 12 мкм до 58 мкм; диапазон значений массовой доли пыли менее 2,5 мкм составляет от 0,02 % до 4 %, менее 10 мкм составляет от 0,6 % до 42 %.
Разброс значений функции прохода следует отнести не к разряду ошибок, а к особенностям случайного процесса, который в силу влияния различных факторов и изменяющихся в определенных пределах параметров воздушной среды определяет фракционный состав пыли. Рассмотрим функции, описывающие дисперсный состав пыли в атмосферном воздухе на границе санитарно-защитной зоны не как детерминированные, а как случайные [14], и установим зависимость фракционной концентрации пыли
от мощности пылевыделения (пересыпки) на открытом складе хранения гипсового камня.
Коэффициент корреляции между значениями функций прохода массы частиц пыли В(йч) для ^ч=2,5 мкм и мощностью пылевыделения составляет 0,47, корреляционная зависимость представлена на рис. 1.
О(5ч),°о
4,0 5,5 5,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5
О 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 5,0 5,5 4,0 Мт,кг/ч
Рис. 1. - Корреляционная зависимость между значениями функций прохода массы частиц пыли В(йч) (%) для йч=2,5 мкм и мощностью пылевыделения Мт (кг/ч) от открытого склада хранения дробленного
гипсового камня
Согласно схеме оценки корреляционной связи по коэффициенту корреляции связь между значениями функций прохода массы частиц пыли В(й1) для йч=2,5 мкм и мощностью пылевыделения оценивается как средняя (коэффициент корреляции от 0,699 до 0,3).
Коэффициент корреляции между значениями функций прохода массы частиц пыли В(йч) для ^ч=10 мкм и мощностью пылевыделения составляет -0,19, корреляционная зависимость представлена на рис. 2.
Рис. 2. - Корреляционная зависимость между значениями функций прохода массы частиц пыли В(ёч) (%) для ёч=10 мкм и мощностью пылевыделения Мт (кг/ч) от открытого склада хранения дробленного
гипсового камня
Согласно схеме оценки корреляционной связи по коэффициенту корреляции связь между значениями функций прохода массы частиц пыли В(йч) для ^ч=10 мкм и мощностью пылевыделения оценивается как слабая (коэффициент корреляции от -0,299 до 0).
По результатам проведенного анализа корреляционных зависимостей между значениями функций прохода массы частиц пыли В(йч) (%) для йч=2,5 мкм и ^ч=10 мкм и мощностью пылевыделения Мт (кг/ч) от неорганизованного источника выброса - открытый склад хранения
:
дробленного гипсового камня установлено, что связь между значениями двух выборок оценивается как средняя (для ач=2,5 мкм) и слабая (для ач=10 мкм), при сравнении расчетных значений критерия 1р с табличными значениями (критерий Стьюдента) выявлено наличие существенных различий между значениями данных двух выборок. Из вышеизложенного следует, что при проведении практических расчетов случайные величины С0 и 0(йч) (на расстоянии от неорганизованного источника пылевыделения) можно считать независимыми.
Рассчитаем риск (вероятность) превышения фракционной концентрацией гигиенических нормативов для мелкодисперсной пыли, установленных в РФ. Используя формулу полной вероятности на основании дифференциальной функции распределения общей концентрации С0 в атмосферном воздухе на границе санитарно-защитной зоны (рс) и дифференциальные функции распределения случайной величины (/Ъ(х), где О(х) - функция прохода массы частиц по диаметрам пыли, вероятность превышения фракционной концентрацией гигиенических нормативов может быть рассчитана по формуле (1).
то
\ /о (НОр, )
С / С
норм ' ^
ас. (1)
Принимаем нормативы концентрации для взвешенных веществ (ПДКсс. для пыли гипса) в атмосферном воздухе на границе санитарно-защитной
3 3
зоны для С(РМ2у5)=35 мкг/м , для С(РМю)=60 мкг/м , тогда по формуле (1) по результатам экспериментальных исследований получим риск (вероятность) превышения фракционной концентрацией гигиенического норматива:
Р(РМ25 > 35мкг / м3 )= 0,27, р(рМ10 > 60мкг / м3 )= 0,67.
По результатам проведенной оценки можно сделать вывод, что на границе санитарно защитной зоны вблизи гипсового производства с
неорганизованным источником пылевыделения (открытым складом хранения гипсового сырья) риск превышения гигиенического норматива для мелкодисперсной пыли (РМ10) обусловлен высоким содержанием пыли данного размера в гипсовом сырье, распространение которой за границы санитарно-защитной зоны связано со статическим хранением.
По результатам исследований содержания пыли в массе породы гипсового сырья установлено, что на открытый склад хранения гипсового камня поступает 6,84 т/час. По результатам дисперсного анализа пыли в исследуемом объеме пылевой фракции (0-200 мкм), содержится 50% от массы частиц пыли, обнаруженной в атмосферном воздухе открытого склада хранения (0 мкм - 85 мкм), таким образом, на открытый склад хранения гипсового камня поступает 3,42 т/час пыли способной распространяться за границы склада хранения. На данном этапе установлено, что содержание данной фракции за границами склада довольно высокое (9,27 ПДК), что приводит к ухудшению санитарно-гигиенических условий на территории предприятия, жилых территорий, а также приводит к потерям гипсового сырья.
Определение размеров частиц пыли, функциональной зависимости распределения диаметров (размеров) частиц находит все большее применение в различных теоретических исследованиях и практических разработках. [15] Для разработки рекомендаций по проектированию инженерных средств защиты окружающей среды, направленных на повышение уровня защищенности воздушной среды от выбросов мелкодисперсной пыли необходимо получить функции прохода В (йч=85 мкм) и В (йч = 200 мкм), а вместе с тем и дисперсные характеристики пылевой фракции 0-85 мкм, способной распространяться за границы открытого склада хранения гипсового камня. [16,17,3] Для решения поставленной задачи возможно использовать метод «рассечения»,
предложенный Азаровым В.Н [18,19]. Идея метода в том, что дисперсный состав именно мелких фракций постоянен, отделение мелких фракций от генеральной совокупности частиц пыли позволяет определить их функцию прохода независимо от случайного появления в пробе пыли крупных фракций. Однако при изучении содержания пылевых фракций в массе породы строительных материалов необходимо разделение генеральной совокупности на три промежутка, т.е построение трех функций прохода: Ватм^атм) - функция прохода для пылевой фракции способной распространяться за границы площадки источника выброса загрязняющих вещств в атмосферный воздух; Вис^ис) - функция прохода для пылевой фракции целесообразной для удаления системами инженерной защиты окружающей среды; Вост^ост) - функция прохода остаточной пылевой фракции. Таким образом вышеуказанные функции прохода будут определяться по формулам (2), (3) и (4).
В ( )
атм\ атм )
100 • В(й ч)
если ^ < d„
В (d )
ис \ ис '
В (А )
ост V ост /
ВЦ )
атм .
0 еСЛи dч > dатм
0 если dис < dч < dатм ,
100 • (В(dч) - В(dатм)) ,если duc > dч > da В ( dис ) - В ( dатм )
0, если dч < duc, 100 • (В (dч) - В(dатм)) ,если dч > dш
100 - В(dапш )
(2)
(3)
(4)
Построенные интегральные кривые распределения (функции прохода) массы частиц гипсовой пыли отдельно для фракций до 85 мкм, от 85 мкм до 200 мкм по формулам (3) и (4) соответственно представлены на рис. 3.
Рис. 3.- Графики значений интегральных функций распределения в вероятностно-логарифмической сетке для проб пыли, содержащейся в массе породы гипсового сырья, полученные с использованием метода «рассечения» по формулам (3) и (4): 1 - фракция частиц 0-85 мкм; 2 - фракция частиц 85200 мкм.
Из рис. 3 видно, что содержание наиболее опасной для здоровья человека пыли, размером не более 10 мкм в массе пылевой фракции (0-85 мкм) способной распространяться за границы открытого склада хранения гипсового камня составляет более 15%, значит пылевая фракция 0-10 мкм поступает на открытый склад хранения сырья в количестве более 500 кг/час.
Таким образом, на основе проведенных аналитических, экспериментальных и опытно-промышленных исследований получена комплексная характеристика пылевых выбросов в атмосферу в производстве гипсовых вяжущих (концентрация в атмосферном воздухе пыли гипса и законы распределения, дисперсный состав пыли и его описание, выполнение
на границе СЗЗ нормативов для PM10 и PM2,5) как основа для разработки методов проектирования повышения уровня защищенности воздушной среды от воздействия мелкодисперсной пыли.
Литература
1. Азаров В. Н.,. Кошкарев С. А., Николенко М. А. Снижение выбросов систем обеспыливания с использованием дисперсионного анализа пыли в стройиндустрии // Инженерный вестник Дона, 2015, №1, ч.2 URL: ivdon.ru/uploads/article/pdf/IVD_95_azarov.pdf_2cedb04647.pdf.
2. Menczel J. Air Pollution Sources // Encyclopedia of Environmental Science and Engineering: A-L . 2006. V. 1. p. 72.
3. Коузов П. А. Основы анализа дисперсного состава промышленных пылей и измельченных материалов / 3-е изд. , перераб. - Ленинград : Химия, 1987. 264 с. : ил. C. 18-22.
4. Азаров В. Н. Снижение пылевых выбросов гипсового производства // Экология урбанизированных территорий. 2007. №4. С. 53-57.
5. Азаров В. Н., Боглаев В.И., Маринин Н.А. Об описании дисперсного состава пыли в системах аспирации при изготовлении гипса // Качество внутреннего воздуха и окружающей среды: сб. тр. IX Междунар. науч. конф. Волгоград : ВолгГАСУ. 2011. С. 86-90.
6. Азаров В.Н. [и др.]. О дисперсном составе пыли в воздушной среде в производстве строительных материалов // Вестник ВолгГАСУ. Сер. Строительство и архитектура. Волгоград. 2013. № 32 (47). С. 256-260.
7. Маринин, Н. А. Исследование дисперсного состава пыли в инженерно-экологических системах и выбросах в атмосферу предприятий стройиндустрии: автореф. дис. канд. техн. наук / Маринин Н. А. - Волгоград, 2014. - 20 с.С. 15-20.
8. Cesaroni G, Forastiere F, Stafoggia M; et al. Long term exposure to ambient air pollution and incidence of acute coronary events: prospective cohort study and
meta-analysis in 11 European cohorts from the ESCAPE Project. // BMJ (Clinical research ed.). 2014. V. 348. URL: dx.doi.org/10.1136/bmj.f7412.
9. Тетерева Е. Ю., Кузнецова Н.С., Азаров А.В. Совершенствование способа определения эквивалентного диаметра частиц через их объем при анализе дисперсного состава пыли строительных производств микроскопическим методом с помощью применения приставки к микроскопу // Проблемы охраны производственной и окружающей среды : сб. материалов и науч. тр. инженеров-экологов. Волгоград : ВолгГАСУ. 2011. Вып. 3. С. 7678. - Библиогр.: с. 77 (1 назв.).
10. Азаров В. Н. [и др.] Dust-1: свидетельство о гос. регистрации программы для ЭВМ /. - № 2014618468 ; заявл. 26. 06. 14 ; опубл. 20. 09. 14.
11. Азаров В. Н. [и др.] Прибор для определения дисперсного состава аэрозоля: пат. 24422970 Рос. Федерация. - № 2010103652/28; зарег. 03.02.2010.
12. Кошкарев С. А. [и др.]Устройство для определения дисперсного состава пыли : пат. 156520 Рос. Федерация ; патентообладатель ФГБОУ ВПО "Волгогр. гос. архитектур.-строит. ун-т. 2015. - № 2015124975/28; заявл. 24.06.2015; опубл. 10.11.2015.
13. Методика выполнения измерений дисперсного состава пыли с применением ПК в атмосферном воздухе и в воздухе рабочей зоны : утв. Госстандарт РФ 08. 08. 2003. - Волгоград, 2003.С.1-3.
14. Азаров В. Н. [и др.]. Дисперсный состав пыли как случайная функция // Объединенный научный журнал. 2003. № 6. С. 60-64.
15. Азаров В. Н. К определению фактических размеров частиц пыли выбросов стройиндустрии и строительства //Инженерный вестник Дона, 2015, №1, ч.2 URL: ivdon.ru/uploads/article/pdf/IVD_116_azarov.pdf_9fdb78721d.pdf.
16. Азаров В. Н., Есина Е.Ю. О дисперсном составе пыли в системах обеспыливающей вентиляции строительных производств // Вестник ВолгГАСУ. Сер. Строительство и архитектура. Волгоград. 2008. Вып. 11. С. 119.
17. Азаров В. Н. О концентрации и дисперсном составе пыли в воздухе рабочих и обслуживаемых зон предприятий стройиндустрии // Качество внутреннего воздуха и окружающей среды: сб. тр. II Междунар. науч. конф. Волгоград : ВолгГАСУ. 2003. С. 23-71.
18. Азаров В. Н., Тетерева Е. Ю., Маринин Н. А. Метод «рассечения» как способ оценки дисперсного состава пыли в инженерно-экологических системах строительных производств // Качество внутреннего воздуха и окружающей среды: сб. тр. VII Междунар. науч.-техн. конф. Волгоград : ВолгГАСУ. 2010. С. 214 - 217.
19. Азаров В. Н., Есина Е.Ю. Применение метода «рассечение» при анализе дисперсного состава пыли в воздухе рабочей зоны предприятий стройиндустрии и машиностроения // Машиностроение и техносфера XXI века: сб. тр. XVI Междунар. науч.-техн. конф., 14-19 сент. 2009 г. в г. Севастополе. Донецк : ДонНТУ, 2009. Т. 1. С. 30-33. Библиогр.: с. 32-33 (7 назв.).
References
1. Azarov V. N.,. Koshkarev S. A., Nikolenko M. A. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2015, №1, ch.2 URL: ivdon.ru/uploads/article/pdf/IVD_95_azarov.pdf_2cedb04647.pdf.
2. Menczel J. Encyclopedia of Environmental Science and Engineering: A-L. 2006. V. 1. p. 72.
3. Kouzov P. A. Osnovy analiza dispersnogo sostava promyshlennyh pylej i izmel'chennyh materialov [Basics of disperse composition of industrial dust
and particulate materials], P. A. Kouzov. 3-e izd. , pererab. Leningrad : Himija, 1987. pp. 18-22.
4. Azarov V. N. Jekologija urbanizirovannyh territorij. 2007. №4. pp. 53-57.
5. Azarov V. N., Boglaev V.I., Marinin N.A. Kachestvo vnutrennego vozduha i okruzhajushhej sredy: sb. tr. IX Mezhdunar. nauch. konf. Volgograd: VolgGASU. 2011. pp. 86-90.
6. Azarov V.N. et al. Vestnik VolgGASU. Ser. Stroitel'stvo i arhitektura. Volgograd. 2013. № 32 (47). pp. 256-260.
7. Marinin, N. A. Issledovanie dispersnogo sostava pyli v inzhenerno-jekologicheskih sistemah i vybrosah v atmosferu predprijatij strojindustrii [Disperse composition of dust research in the engineering and environmental systems, and emissions into the atmosphere building industry enterprises]: avtoref. dis. kand. tehn. nauk. Marinin N. A. Volgograd, 2014. 20 p. pp. 15-20.
8. Cesaroni G, Forastiere F, Stafoggia M; et al. BMJ (Clinical research ed.). 2014. V. 348. URL: dx.doi.org/10.1136/bmj.f7412.
9. Tetereva E. Ju., Kuznecova N.S., Azarov A.V. Problemy ohrany proizvodstvennoj i okruzhajushhej sredy: sb. materialov i nauch. tr. inzhenerov-jekologov. Volgograd: VolgGASU. 2011. Vyp. 3. S. 76-78. Bibliogr.: p. 77 (1 nazv.).
10. Azarov V. N. [i dr.]. Dust-1 [Dust-1]: svidetel'stvo o gos. registracii programmy dlja JeVM.. № 2014618468 ; zajavl. 26. 06. 14 ; opubl. 20. 09. 14.
11. Azarov V. N. [i dr.]. Pribor dlja opredelenija dispersnogo sostava ajerozolja [The device for determining the composition of particulate aerosol]: pat. 24422970 Ros. Federacija. № 2010103652/28. zareg. 03.02.2010.
12. Koshkarev S. A. [i dr.]Ustrojstvo dlja opredelenija dispersnogo sostava pyli [The device for determining the composition of the particulate dust]: pat. 156520 Ros. Federacija.; patentoobladatel' FGBOU VPO "Volgogr. gos.
arhitektur.-Stroit. un-t. 2015. - № 2015124975/28 ; zajavl. 24.06.2015 ; opubl. 10.11.2015.
13. Metodika vypolnenija izmerenij dispersnogo sostava pyli s primeneniem PK v atmosfernom vozduhe i v vozduhe rabochej zony [Methods of measurement of particulate dust composition using a PC in the air and in the working area]: utv. Gosstandart RF 08. 08. 2003. Volgograd, 2003.pp.1-3.
14. Azarov V. N. et al. Ob 'edinennyj nauchnyj zhurnal. 2003. № 6. pp. 60-64.
15. Azarov V. N. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2015, №1, ch.2 URL: ivdon.ru/uploads/article/pdf/IVD_116_azarov.pdf_9fdb78721d.pdf.
16. Azarov V. N., Esina E.Ju. Vestnik VolgGASU. Ser. Stroitel'stvo i arhitektura. Volgograd. 2008. Vyp. 11. p. 119.
17. Azarov V. N. Kachestvo vnutrennego vozduha i okruzhajushhej sredy: sb. tr. II Mezhdunar. nauch. konf. Volgograd: VolgGASU. 2003. pp. 23-71.
18. Azarov V. N., Tetereva E. Ju., Marinin N. A. Kachestvo vnutrennego vozduha i okruzhajushhej sredy: sb. tr. VII Mezhdunar. nauch.-tehn. konf. Volgograd : VolgGASU. 2010. pp. 214 - 217.
19. Azarov V. N., Esina E.Ju. Mashinostroenie i tehnosfera XXI veka: sb. tr. XVI Mezhdunar. nauch.-tehn. konf., 14-19 sent. 2009 g. v g. Sevastopole. Doneck : DonNTU, 2009. T. 1. S. 30-33. Bibliogr.: pp. 32-33 (7 nazv.).
