Глава 3 воздействие промышленности на воздушную среду

3.1 Основы образования загрязнителей атмосферы

Твердые вещества. Твердые вещества образуются в результате, как природных явлений, так и деятельности человека.

Пыль, образующаяся в результате деятельности человека, можно подразделить на продукт его основной жизнедеятельности, особенно при создании локальных источников теплоты, а также на продукт технической деятельности. Эти пыли подразделяются на два типа:

— бесполезная пыль, образующаяся как побочный продукт (например, вследствие истирания, механической обработки или износа), как отбросный продукт (например, при работе транспорта), в процессе сжигания или возгонки (продукты сгорания, например сажа или зола), а также пыль от процессов промышленного производства;

— полезная (утилизируемая) пыль, образующаяся в процессах производства или переработки гранулированных веществ, таких как гипс, цемент, наполнители для резины (сажа), высушенные продукты.

Причины образования промышленной пыли зависят от типа производственного процесса:

1. механическая обработка различных веществ (например, бурение, дробление, размол, полирование);

2. отделение веществ (например, отпиловка, отрыв);

3. тепловые процессы и процессы горения (сжигание, плавление, сушка, дистилляция);

4. транспортировка зернистых материалов (например, погрузка, перегрузка, смешение, просеивание и т. д.);

5. соединение гранулированных веществ (например, брикетирование);

6. износ и коррозия веществ.

На количество образующейся пыли влияют следующие факторы:

— физические и физико-химические свойства пыли;

— размер частиц пыли, ее дисперсионные и поверхностные свойства;

— перемещение материала (циркуляция, изменение направления движения и т. д.)

— число и интенсивность столкновений между отдельными частицами;

— коэффициент трения между пылью и оборудованием, по которому она движется.

Жидкие частицы. Жидкие загрязнения (туманы, капли) образуются:

а) при конденсации паров;

б) при распылении или разливе жидкостей;

в) в результате химических или фотохимических реакций.

Пары могут сконденсироваться в результате охлаждения их в смеси с воздухом или другим неконденсирующимся газом. В зависимости от точки плавления конденсирующихся веществ образуются жидкие или иногда твердые частицы.

Жидкость находится в равновесии с паром при конкретной температуре и давлении. Если парциальное давление пара в газе превышает равновесное парциальное давление насыщенного пара при той же температуре, то говорят — пар пересыщен. При достижении критической степени пресыщения, зависящей от химического состава пара и температуры, происходит конденсация. Пары в газах обычно конденсируются на зародышах — чрезвычайно мелкодисперсных пылевых частицах, постоянно суспендированных в атмосфере, ионах и т. п.

Охлаждение и последующая конденсация происходит в результате потери теплоты, т. е. контакта смеси газ-пар с поверхностью более холодного тела, в процессе адиабатического расширения пара либо в процессе смешения с более холодным газом (как это имеет место в ряде случаев рассеивания отбросных промышленных газов из дымовых труб в атмосферу).

Газообразные загрязнения. Образование газообразных загрязнений характерно для раз­личных процессов. Прежде всего, это такие химические реакции как окисление, восстановление, замещение и разложение, а так­же электрохимические (электролиз) и физические (например, выпаривание и дистилляция) процессы.

Наибольшую часть газообразных выбросов составляют про­дукты окисления, образовавшиеся в основном в процессах горе­ния, когда при окислении углерода образуются диоксид и оксид углерода, при окислении серы — диоксид серы, а при высоко­температурном окислении азота в печах — оксид и диоксид азо­та. Однако при неполном сгорании не происходит полного окис­ления органических веществ, и могут образовываться альдегиды, кетоны или органические кислоты. Продукты горения из печей с восстановительной атмосферой могут содержать гидросуль­фид.

Помимо горения, некоторые процессы цветной металлургии, особенно те, которые связаны с обжигом серосодержащих руд, могут явиться источниками продуктов окисления. В химической промышленности в их число входят сжигание серы или обжиг пирита с последующим каталитическим окислением диоксида серы в триоксид — одна из основных стадий производства сер­ной кислоты.

Промышленные восстановительные процессы также являют­ся источниками загрязняющих веществ — в основном гидросуль­фида при производстве кокса. Более крупные источники загряз­нений в химической промышленности — это процессы карбони­зации угля и производства газового угля, сульфатцеллюлозы и ряд других. В качестве примеров восстановительных процессов, можно упомянуть производства соляной кислоты из хлора и водорода и аммиака из атмосферных азота и водорода.

Химическое разложение и замещение широко применяются в химической промышленности, особенно в производствах фосфорных удобрений. Еще одним примером может служить выделение гидросульфида при разложении ксантогената целлюлозы в производстве вискозных волокон.

Электрохимические процессы являются источником серьезных загрязнений как в металлургии (наиболее значительный источник — производство алюминия), так и в химической промышленности (наибольшие загрязнения — в электролитических при производстве хлора и гидроксида натрия). С рассматриваемых позиций наиболее важными, особенно химической промышленности, физическими процессами являются выпаривание и дистилляция (например, выброс углеводородов, хлорпроизводных углеводородов и других растворителей, испаряющихся в процессе производства и использования этиx продуктов). Дистилляция различных химических веществ, включая смолы, а также некоторые нефтеочистительные и нефтехимические процессы — еще один существенный источник выбросов.

Иногда в процессе дистилляции образуются газообразные загрязняющие вещества, которые при нормальных температурах находятся в твердом состоянии. Таким образом, например, оксиды мышьяка поступают в воздух при сжигании угля или при получ­ении свинца и цветных металлов. Дистилляция также при­водит к выбросам свинца, оксида сурьмы (III), ртути и других химикатов. Кроме того, при дистилляции выделяется ряд летучих хлоридов металлов.

Важным источником загрязнений может быть процесс выпаривания, даже если выпаривать очень малые количества веществ с очень неприятными запахами на воздухе. Реакции замещения или присоединения в таких процессах, как нитрование, хлорирование, сульфирование и т. д. также могут быть, хотя и незначительными, источниками газообразных загрязняющих веществ.

Сбор и отвод выбросов от источников. В подавляющем большинстве случаев, устройства для сбора и отвода летучих выбросов от источников выделения разрабатываются лицами, проектирующими технологический процесс. Существуют исключения, например, сталеплавильные печи.

Система сбора и отвода выбросов во многом зависит от типа производственного процесса. Например, в случае сжигания топлива система достаточно простая: топочное устройство — труба (котельная). В большинстве случаев в системе существует газоотборное устройство (аспирационное устройство, местный отсос), система газоходов, через которые осуществляются выбросы и побудитель движения воздуха. Кроме того, в системе может быть предусмотрено разнообразное вспомогательное оборудование (вентили, компенсаторы и т. д.).

Классификация аспирационных устройств. По степени изоляции области действия отсоса от окружающего пространства раз­личают отсосы открытого типа и отсосы от полных укрытий (рис. 3.1).

Отсосы открытого типа — это отсосы, на­ходящиеся за пределами источников выде­ления вредных веществ. Это вытяжные зонты, вытяжные панели, бортовые отсосы и другие устройства. В ряде случаев для отделения зоны выделения вредных веществ от незагрязненного объема воздуха ис­пользуют плоскую приточную струю, ко­торая обеспечивает сдув вредных веществ в зону эффективного действия отсоса и усиливает подсасывающее действие послед­него за счет эжекции. Такие отсосы полу­чили название активированных.

Отсосы от полных укрытий — это от­сосы, внутри которых находятся источники выделения вредных веществ. Движение газа над источниками в ограниченных объ­емах с рабочими проемами и неплотностями, существенным образом отличается от его движения имею­щего место в условиях открытых пространств. Такими закрытыми отсосами являются вытяжные шкафы, фасонные укрытия при обработке вращающихся изделий, кожухи и вытяж­ные камеры, герметично или плотно закры­вающие технологическое оборудование.

Отсосы открытого типа следует приме­нять в тех случаях, когда по технологи­ческим или иным причинам источник не может быть снабжен полным укры­тием, которое является наиболее эффектив­ным средством оздоровления воздушной среды рабочей зоны.

Существенное влияние на выбор кон­струкции отсоса оказывают причины и ха­рактер движения выделений вредных ве­ществ около источников. Последние раз­деляются на тепловые, динамические, диф­фузионные и смешанные.

Движение около тепловых источников происходит за счет тепловой энергии, под­водимой к ним. Выделения вредных ве­ществ распространяются в виде направлен­ного потока — конвективной струи, как правило, турбулентной. Конвективные струи разделяются на участки: начальный или разгонный (участок формирования), на котором осевая скорость возрастает от нуля на поверхности источника до неко­торого максимального значения, к основ­ной, где осевая скорость убывает или остается постоянной с удалением от ис­точника. Длина разгонного участка при­ближенно может быть принята равной 1,5–2 калибрам теплового источника.

Рис. 3.1. Классификация местных отсосов

Движение около динамических источ­ников обусловлено перепадом давления, что приводит к образованию приточной струи. Приточная струя — это струя, обла­дающая некоторой минимальной скоростью истечения за счет избыточного давления внутри объема сосуда, аппарата. Приточ­ная струя состоит из начального и основного участков.

Диффузионные потоки обусловлены градиентом концентрации газовой примеси. Направление и интенсивность распространения последней зависят от диффузионных характеристик вещества и турбулентности окружающей среды.

Различные причины движения нередко действуют совместно. Во всех случаях необходимо уметь оценивать влияние каждой причины на закономерности движения и на основании этой оценки правильно выбирать конструкцию отсоса.

По форме их сечения в плане источники и приемные отверстия отсосов могут быть круглые, пря­моугольные и щелевые. В соответствии с этим, струи могут быть компактные и плоские. В пределах начального (разгон­ного) участка конвективная струя счи­тается компактной, если она образуется над тепловым источником, имеющим в пла­не круглую форму или форму прямоуголь­ника с соотношением сторон а/b < 2. Если тепловой источник вытянутый (а/b > 2), то образующуюся над ним конвективную струю следует считать плоской. Компактной считается приточная струя, истекающая из отверстия круглой или квадратной формы; плоской — струя, истекающая из щелевого отверстия.

Приведенная классификация учитывает основные закономерности и существенные особенности потоков выделений вредных веществ над источниками. При решении практических задач приходится сталкивать­ся с более разнообразными и сложными формами источников, однако при выборе расчетных схем и формул следует приво­дить их к одному из рассмотренных видов.

При выборе и конструктивной проработке местного отсоса необходимо руководство­ваться следующими основными положе­ниями:

— элементы отсоса и укрытий должны со­ставлять единое целое с конструкцией тех­нологического аппарата и не мешать про­ведению технологического процесса;

— всасывающее отверстие должно быть максимально приближено к источнику вы­делений вредных веществ;

— размеры приемного отверстия должны быть равными или несколько большими размеров подтекающей к отсосу струи;

— уменьшение размеров отсоса ведет к уве­личению потребного расхода воздуха;

— зону действия отсоса следует макси­мально ограничивать фланцами, экранами, ширмами и т. п.;

— ориентация приемного отверстия в про­странстве должна производиться с учетом возможно меньшего отклонения потока выделений вредных веществ от естественного направления движения;

— при определении направления движения потока выделений вредных веществ следует следить за тем, чтобы они не проходили через зону дыхания работающих;

— препятствиям на пути движения воздуха к отсосу следует придавать форму, при ко­торой сопротивление их будет минималь­ным (острые, кромки скруглять и т. д.);

— поле скоростей в приемном отверстии отсоса рекомендуется устраивать соответ­ствующим полю скоростей в подтекающем потоке выделений вредных веществ. Для этого следует использовать вставки, рассекатели, выравнивающие решетки и т. д.

Практика показывает, что объем выбросов, может быть значительно снижен за счет рациональной и тщательно продуманной конструкции газоотбора.

Основные виды аспирационных устройств

Аспирационные устройства открытого типа. Представляют собой вытяжные устройства различной конструкции с открытым воздуховодом и подразделяются на: вытяжные зонты, вытяжные панели, бортовые и активированные отсосы.

1. Вытяжные зонты. По направлению дви­жения выделений вредных веществ разли­чают отсосы, расположенные соосно с ис­точником (рис. 3.2), и отсосы, расположенные сбоку от источника. К отсосам первого типа от­носятся вытяжные зонты, отсасывающие воронки и т. п. Зонты устанавливаются, как правило, над сосредоточенными источ­никами тепло- и влаговыделеннй, над ис­точниками вредных веществ, выделяющих­ся вместе с теплотой. Применять зонты можно при незначительной подвижности воздуха в помещении, так как поток воз­духа, направляемый под зонт, может от­клоняться.

Для обеспечения устойчивой ра­боты зонтов их снабжают съемными или откидными фартуками с одной, двух или трех сторон и располагают на оси (пло­скости) симметрии источника на минималь­но возможной высоте h (рис. 3.2).

Рис. 3.2. Схемы отсосов, расположенных соосно с источником:

а — зонт с прямоугольным приемным отверстием; б — зонт с неравномерным всасыванием по площади приемного отверстия; в — зонт-козырек; 1 — корпус отсоса; 2 — вставка, обеспечивающая неравномерность всасывания; 3 — уступы для локализации зон завихрения

При наличии над источником выделений вредных веществ устойчивого струйного течения, рекомендуется внутри зонта уста­навливать коническую вставку, а по пери­метру корпуса устраивать кольцевой уступ (рис. 3.2, б). Коническая вставка обеспечи­вает качественное соответствие профилей скоростей в приемном отверстии и в под­текающей струе. Действие всасывающего факела при этом сосредоточивается в цен­тре течения, что увеличивает устойчивость струн по отношению к неорганизованным потокам в помещении.

2. Вытяжные панели. Когда по конструктивным соображениям соосный отсос нельзя расположить достаточно близко над источником и поэтому производительность отсоса чрезмерно велика, а также когда необходимо отклонять поднимающуюся над источником струю так, чтобы выделения вредных веществ не попадали в зону дыхания работающего, применяют вытяжные панели (рис. 3.3) — боковые, угловые и наклонные. Такие отсосы находят широкое применение в цехах пластмасс, сборочно-сварочных, литейных.

Рис. 3.3. Конструктивные схемы отсосов:

а — отсос в стенке; б — свободно расположенный боковой отсос; в — боковой отсос с экраном; г — угловой отсос; д — наклонный отсос

3. Бортовые отсосы. Бортовые отсосы располагают, в основном, в цехах металлопокрытий для улавливания, выделений вредных веществ с поверхности растворов гальванических, травильных, закалочных ванны т. п. Особенностью бокового отсоса является то, что зона его действия велика по сравнению с шириной всасывающей щели. Наибольшее распространение находят однобортовые, двубортовые и круговые отсосы (рис. 3.4).

4. Активированные отсосы. Местные отсосы активируют плоскими или компактными приточными струями, которые отделяют зону выделений вредных веществ от незагрязненного объема и обеспечивают стабильный сдув вредных веществ в зону эффективного действия отсоса (рис. 3.5). Приточная струя должна проходить в зоне выделений вредных веществ и направляться к центру всасывающего отверстия, причем расход отсасываемого воздуха должен превышать расход воздуха, поступающего с приточной струей.

Местные отсосы от полных укрытий. Наиболее эффективным типом местных отсосов является полное укрытие источника выделения вредных веществ. В этом случае локализация выделения достигается при ми­нимальном объеме воздуха. Однако, далеко не всегда укрытие можно сделать герметич­ным. В его ограждениях обычно имеются рабочие проемы, размеры которых опреде­ляются конструкцией и технологическим режимом работы укрываемого оборудо­вания.

1. Вытяжные шкафы (рис. 3.6). Вытяжные шкафы разли­чают с верхним, нижним и комбинированным (нижним и верхним) удалением воздуха. Шкаф с комбиниро­ванным удалением воздуха применяют для удаления пыли и тяжелых газов. Из ниж­ней зоны шкафа, как правило, следует от­сасывать 2/3 общего объема воздуха, а из верхней зоны 1/3. Если в шкафу проводят работы, сопровождающиеся выделением большого количества теплоты, то следует отсасывать сверху 2/3 общего объема воз­духа и снизу 1/3. Однако должна быть предусмотрена возможность регулирования этого распределения.

2. Местные отсосы, встроенные в технологическое оборудование. Чаще всего, местные отсосы используются в машиностроительных производствах. При этом они могут защищать не только от вредных выделений, но и от отлетающей стружки. В этом случае они называются пылестружкоприемниками (рис. 3.7)

Рис. 3.5. Схема активированного отсоса травильной ванны:

1 — ванна; 2 — воздухораспределитель наддува; 3 — вытяжной приемник

Рис. 3.4. Кольцевой отсос опрокинутого типа:

1 — отсасывающие воздуховоды; 2 — уровень жидкости; 3 — граница верхнего уровня выделения вредных веществ; 4 — кольцевой кожух

Рис. 3.6. Схемы вытяжных шкафов:

а — с верхним отсосом; б — с нижним отсосом; в — с комбинированным отсосом

3. Аспирируемые укрытия. При проведении ряда технологических процессов с целью предотвращения загрязнения воздуха в помещениях применяют аспирируемые укрытия. Внутри укрытия поддерживают разряжение, чтобы через его неплотности засасывался воздух со скоростями, препятствующими распространению вредных веществ. Такие устройства применяются, например, при ручном окрашивании (рис. 3.8).

Порядок расчета аспирационных устройств излагается в специализированной литературе.

Системы с рециркуляцией воздуха. Особое место занимают системы с рециркуляцией воздуха. Они включают следующие элементы:

— устройство для улавливания примесей в зоне их выделения (местный отсос);

— аппарат для очистки воздуха от примесей;

— побудитель движения воздуха в системе;

— устройство для возврата воздуха в производственное помещение;

Воздуховоды. В качестве воздуховодов обычно используют металлорукава, а в качестве побудителей движения воздуха — вентиляторы с суммарным напо­ром от 3 кПа и выше. В компоновочных схемах использования аппаратов предусмот­рено индивидуальное применение их на станках (установках) в навесном или при­ставном вариантах, а также для очистке воздуха, отводимого от группы станков.

Рис. 3.7. Пылестружкоприемник для горизонтально-фрезерного станка:

1 — корпус пылестружкоприемника; 2 — приемный патрубок; 3 — съемная крышка; 4 — подвеска; 5 — направляющая пластина

Рис. 3.8. Проходная камера для окрашивания изделий средних размеров:

1 — корпус; 2 — окрашиваемое изделие; 3 — транспортный проем; 4 — рабочий проем; 5 — отстойная ванна; 6 — гидрофильтр

Системы местной вытяжной вентиляции с возвратом (рециркуляцией) очищенного воздух в производственное помещение на­ходят применение для очистки воздуха от пыли при обработке режущим и абразивным инструментом металлов, их сплавов и не­металлических материалов; от сварочного аэрозоля при электросварке; от туманов масел и смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ) при обработке металлов резанием, от туманов масел на холодно-высадочных автоматах и др. Преимущества таких систем очистки: малая длина воздуховодов; малое гидрав­лическое сопротивление системы; не тре­буется подогрев или охлаждение очищен­ного воздуха, что дает наибольшую эконо­мию энергии в холодный период года. Не­достатки систем: пониженный коэффициент полезного действия вентиляторов индивидуальных аппаратов очистки по сравнению с вентиляторами центральной очистки; излучение на рабочие места шума от индивидуального аппарата очистки.

Требуемая эффективность очистки рециркуляционного воздуха в таких аппара­тах определяется из условия, что концен­трация каждого вида примесей на выходе из пылеуловителя должна быть не более 0,3 ПДК_р.з.