книги / Расчёт и проектирование систем обеспечения безопасности.-1
.pdfМинистерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»
Я.А. Жилинская, И.С. Глушанкова, М.С. Дьяков, М.В. Висков
РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ СИСТЕМ ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ
Утверждено Редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия
Издательство Пермского национального исследовательского
политехнического университета
2012
УДК 504.05+504.064.4+502.22](075.8) Р24
Рецензенты: доктор техн. наук, профессор
Пермского национального исследовательского политехнического университета А.А. Кетов;
кандидат техн. наук, завотделом матмоделирования систем и процессов Федерального бюджетного учреждения науки «Федеральный научный центр медико-профилактических технологий управления рисками здоровью населения» (г. Пермь)
К.Д. Кирьянов
Р24 Расчет и проектирование систем обеспечения безопасности : учеб. пособие / Я.А. Жилинская, И.С. Глушанкова, М.С. Дьяков, М.В. Висков. – Пермь : Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та,
2012. – 401 с.
ISBN 978-5-398-00918-7
В учебном пособии изложены методологические подходы и основные принципы расчетов и проектирования систем обеспечения безопасности, основы проектирования сооружений для очистки воздуха, сточных вод, переработки техногенных отходов.
Изучение данного учебного пособия способствует формированию у студентов навыков применения нормативно-правовой и методической базы, основных технологических разработок при проектировании систем обеспечения экологической безопасности техногенных объектов, разработки проектной документации и грамотного составления заданий на проектирование.
Учебное пособие «Расчет и проектирование систем обеспечения безопасности» предназначено для студентов, обучающихся по направлению подготовки «Техносферная безопасность».
УДК 504.05+504.064.4+502.22](075.8)
ISBN 978-5-398-00918-7 |
© ПНИПУ, 2012 |
ОГЛАВЛЕНИЕ |
|
Модуль 1. МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ПОДХОДЫ |
|
К РАСЧЕТУ И ПРОЕКТИРОВАНИЮ СИСТЕМ |
|
ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ |
|
Глава 1. Основные понятия систем обеспечения безопасности.................................. |
8 |
1.1. Понятие экологической опасности................................................................................. |
8 |
1.2. Методы решения задач обеспечения экологической безопасности......................... |
11 |
Вопросы для самоконтроля................................................................................................... |
14 |
Глава 2. Состав и характеристика техногенного объекта.......................................... |
15 |
2.1. Структураихарактеристикатехногенногообъекта........................................................ |
15 |
2.2. Закономерности формирования инженерных систем обеспечения |
|
экологической безопасности ................................................................................................ |
23 |
Вопросы для самоконтроля................................................................................................... |
36 |
Глава 3. Нормативно-техническая база и процедура расчета |
|
и проектирования систем обеспечения безопасности ................................................. |
36 |
3.1. Нормативно-техническая база расчета и проектирования систем |
|
обеспечения безопасности.................................................................................................... |
39 |
3.2. Процедура расчета и проектирования систем обеспечения безопасности.............. |
51 |
Вопросы для самоконтроля................................................................................................... |
63 |
Список литературы................................................................................................................ |
63 |
Модуль 2. РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ СИСТЕМ |
|
ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ |
|
ВОЗДУШНОГО БАССЕЙНА |
|
Глава 4. Классификация источников загрязнений атмосферы, |
|
свойства и характеристика выбросов............................................................................ |
66 |
4.1. Стандарты по качеству воздушного бассейна, опасные концентрации |
|
загрязняющих веществ. Государственный контроль охраны |
|
атмосферного воздуха............................................................................................................ |
66 |
4.2. Классификация источников загрязнений атмосферы. Свойства и характеристики |
|
выбросов. Классификация выбросов. Нормирование выбросов. Снижение |
|
интенсивности образования выбросов. Рассеивание выбросов в атмосфере. |
|
Регулирование выбросов в зависимости от метеорологических условий...................... |
82 |
Вопросы для самоконтроля................................................................................................... |
87 |
Глава 5. Расчет и проектирование сооружений механической очистки |
|
пылегазовых выбросов....................................................................................................... |
87 |
5.1. Основныемеханизмыосаждениячастиц: гравитационноеиинерционноеосаждение. |
|
Осаждениеподдействиемцентробежнойсилы. Зацепление. Диффузионноеосаждение. |
|
Электрическоеосаждение. Термофорезидиффузиофорез....................................................... |
87 |
Вопросы для самоконтроля................................................................................................... |
99 |
5.2. Основные методы улавливания пылей: сухие механические пылеуловители; |
|
«мокрая» очистка газов; фильтрование; очистка в электрическом поле. Аппаратура |
|
и рабочие параметры процесса улавливания пылей. Способы интенсификации |
|
работы газоочистных установок. Рекуперация пылей. Экономические аспекты |
|
пылеулавливания................................................................................................................... |
99 |
Вопросы для самоконтроля................................................................................................. |
114 |
3
Глава 6. Расчет, проектирование систем и технологического |
|
оборудования химических методов очистки............................................................... |
142 |
6.1. Абсорбционные методы очистки газов от газообразных соединений: |
|
физико-химические закономерности процессов физической абсорции. Основы |
|
хемосорбционных процессов. Технологическое оформление разомкнутых |
|
абсорбционных процессов. Циркуляционные процессы физической и химической |
|
абсорбции. Требования к абсорбентам. Аппаратурное оформление абсорбционных |
|
процессов. Методы регенерации абсорбентов................................................................. |
143 |
6.2. Адсорбционные методыочисткигазов от газообразных соединений. |
|
Кинетикаадсорбции-десорбции. Динамикаадсорбции. Определениевремени |
|
защитногодействия слоя ивысоты работающегослоя. Методырегенерации |
|
адсорбентов. Конструкции адсорберов. Интенсификация адсорбционных процессов...... |
148 |
Вопросы для самоконтроля................................................................................................. |
151 |
6.3. Каталитическиеметодыочисткигазовотгазообразныхсоединений. |
|
Основыкаталитическихметодовочистки. Методыкаталитическогообезвреживания |
|
газов: стационарныйметод, нестационарныйспособ(реверс-процесс).................................... |
151 |
Глава 7. Расчет и проектирование сооружений термического |
|
обезвреживания газов от легкоокисляемых, токсичных |
|
и дурно-пахнущих веществ.............................................................................................. |
158 |
Термические методыобезвреживания газов отлегкоокисляемых, |
|
токсичных идурнопахнущихвеществ. Некаталитические методыочистки. |
|
Биохимическая очисткагазов. Мембранное разделение газовых смесей. |
|
Конденсационные методыочистки...................................................................................... |
158 |
Глава 8. Промышленное применение технологий обезвреживания |
|
выбросов в атмосферу....................................................................................................... |
162 |
8.1. Расчет и проектирование систем очистки газов от диоксида углерода................. |
162 |
8.2. Расчет и проектирование систем очистки газов от оксида углерода..................... |
164 |
8.3. Расчет и проектирование систем очистки газов от сероводорода |
|
и сераорганических соединений......................................................................................... |
164 |
8.3.1. Вакуум-карбонатные методы ........................................................................... |
164 |
8.3.2. Фосфатный процесс........................................................................................... |
166 |
8.3.3. Процесс «Stretford» ............................................................................................ |
166 |
8.3.4. Щелочно-гидрохиновый метод ........................................................................ |
167 |
8.3.5. Абсорбция этаноламинами............................................................................... |
168 |
8.4. Расчет и проектирование систем очистки газов от диоксида серы........................ |
169 |
8.4.1. Абсорбция водой................................................................................................ |
169 |
8.4.2. Известняковые и известковые методы ............................................................ |
170 |
8.4.3. Магнезитовый метод ......................................................................................... |
171 |
8.5. Расчет и проектирование систем очистки газов от оксидов азота.......................... |
173 |
8.5.1. Основы методов................................................................................................. |
173 |
8.5.2. Метод селективного каталитического восстановления (СКВ)...................... |
175 |
8.5.3. Другие методы очистки газов от оксида азота. |
|
Неселективное каталитическое восстановление (НСКВ).............................. |
179 |
8.5.4. Облучение потоком электронов....................................................................... |
180 |
8.6. Расчетипроектированиесистемочистки газовот галогеновиихсоединений......... |
180 |
Список литературы.............................................................................................................. |
182 |
4
Модуль 3. РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ СИСТЕМ |
|
ОБЕСПЕЧЕНИЯ ИНЖЕНЕРНОЙ ЗАЩИТЫ ПОВЕРХНОСТНЫХ |
|
И ПОДЗЕМНЫХ ВОД ОТ ТЕХНОГЕННЫХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ |
|
Глава 9. Характеристика состава сточных вод........................................................... |
184 |
9.1. Основные понятия и определения .............................................................................. |
184 |
9.2. Основные характеристики сточных вод и показатели качества воды ................... |
186 |
9.3. Краткая характеристика природных и сточных вод ................................................. |
188 |
9.4. Системы водоотведения городских и промышленных сточных вод ..................... |
192 |
9.5. Условия сброса сточных вод в водоемы .................................................................... |
193 |
Глава 10. Классификация методов очистки сточных вод. |
|
Выбор технологий очистки сточных вод и состава очистных сооружений.......... |
196 |
10.1. Классификация методов очистки сточных вод........................................................ |
196 |
10.2. Выбор технологий очистки сточных вод и состава очистных |
|
сооружений. Основы проектирования систем очистки сточных вод............................ |
198 |
Вопросы для самоконтроля................................................................................................. |
201 |
Глава 11. Расчет и проектирование систем очистки сточных вод......................... |
202 |
11.1. Расчет сооружений механической очистки сточных вод...................................... |
202 |
11.1.1. Решетки и сита для процеживания сточных вод .......................................... |
203 |
11.1.2. Песколовки...................................................................................................... |
204 |
11.1.3. Отстойники ..................................................................................................... |
210 |
11.1.4. Фильтры........................................................................................................... |
215 |
11.1.5. Центрифуги..................................................................................................... |
227 |
Вопросы для самоконтроля................................................................................................. |
232 |
11.2. Расчет сооружений физико-химической очистки сточных вод............................ |
232 |
11.2.1. Расчет сооружений для коагуляции и флокуляции .................................... |
233 |
11.2.2. Флотаторы....................................................................................................... |
245 |
11.2.3. Применение адсорбционных и ионообменных методов |
|
для очистки сточных вод. Расчет фильтров............................................................. |
251 |
Вопросы для самоконтроля................................................................................................. |
266 |
11.3. Основырасчета сооруженийдлябиохимической очисткисточныхвод.................. |
267 |
11.3.1. Аэротенки........................................................................................................ |
267 |
11.3.2. Биологические фильтры ................................................................................ |
279 |
Вопросы для самоконтроля................................................................................................. |
286 |
Список литературы.............................................................................................................. |
286 |
Модуль 4. РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ СИСТЕМ |
|
ОБЕСПЕЧЕНИЯ ИНЖЕНЕРНОЙ ЗАЩИТЫ ЛИТОСФЕРЫ |
|
ОТ ТЕХНОГЕННЫХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ |
|
Глава 12. Основные подходы к классификации техногенных отходов, |
|
их характеристика............................................................................................................. |
288 |
12.1. Классификация отходов............................................................................................. |
288 |
12.2. Состав и свойства отходов......................................................................................... |
293 |
Глава 13. Расчет сооружений для механической подготовки |
|
и переработки твердых отходов...................................................................................... |
294 |
13.1. Расчет и проектирование сооружений для классификации |
|
твердых отходов................................................................................................................... |
294 |
5
13.1.1. Механическая классификация........................................................................ |
294 |
13.1.2. Воздушная классификация отходов............................................................... |
298 |
13.1.3. Гидравлическая классификация отходов ...................................................... |
303 |
13.2. Расчет и проектирование сооружений для уменьшения |
|
или укрупнения размеров частиц твердых отходов........................................................ |
305 |
13.2.1. Расчет и проектирование установок дробления........................................... |
305 |
13.2.1.1. Валковые дробилки и прессы.......................................................... |
308 |
13.2.1.2. Щековые дробилки........................................................................... |
309 |
13.2.1.3. Конусные дробилки.......................................................................... |
311 |
13.2.2. Расчет и проектирование установок измельчения........................................ |
312 |
13.2.2.1. Измельчителираздавливающего иистирающегодействия.............. |
313 |
13.2.2.2. Мельницы ударного действия......................................................... |
317 |
13.2.2.3. Барабанные мельницы (конструкции и основные |
|
характеристики) ............................................................................................... |
317 |
13.2.3. Расчет аппаратов гранулирования ................................................................. |
319 |
13.2.4. Оборудование для таблетирования отходов................................................. |
326 |
13.3. Расчет и проектирование сооружений для обезвоживания |
|
твердых отходов................................................................................................................... |
329 |
Глава 14. Расчет сооружений для физико-химической подготовки |
|
и переработки твердых отходов...................................................................................... |
331 |
14.1. Расчет и проектирование сооружений для выщелачивания |
|
твердых отходов................................................................................................................... |
331 |
14.2. Расчет и проектирование сооружений для кристаллизации |
|
твердых отходов................................................................................................................... |
334 |
14.2.1. Расчет кристаллизационного аппарата с псевдоожиженным |
|
слоем кристаллов......................................................................................................... |
336 |
14.2.1.1. Материальный и тепловой балансы кристаллизации.................. |
336 |
14.2.1.2. Определение высоты псевдоожиженного слоя............................. |
337 |
14.2.1.3. Расчет вакуум-кристаллизатора...................................................... |
338 |
14.3. Расчет и проектирование сооружений для растворения (экстракции) |
|
твердых отходов................................................................................................................... |
341 |
Глава 15. Расчет сооружений для биологической подготовки |
|
и переработки твердых отходов...................................................................................... |
348 |
15.1. Расчет и проектирование сооружений для аэробной стабилизации отходов......... |
348 |
15.1.1. Полевое компостирование отходов................................................................ |
348 |
15.1.2. Компостирование в тоннелях и бункерах ..................................................... |
350 |
15.2. Расчет ипроектирование сооруженийдляанаэробнойстабилизацииотходов.......... |
357 |
15.2.1. Расчет метантенков.......................................................................................... |
360 |
Глава 16. Расчет сооружений для термической подготовки |
|
и переработки отходов...................................................................................................... |
364 |
16.1. Расчет и проектирование сооружений для сушки твердых отходов. ................... |
364 |
16.1.1. Теоретическая часть ........................................................................................ |
364 |
16.1.2. Расчет установок.............................................................................................. |
369 |
16.2. Расчетипроектирование сооружений для пиролизатвердыхотходов..................... |
372 |
16.2.1. Расчет процесса горения и определение конструктивной схемы |
|
печи для пиролиза......................................................................................................... |
374 |
16.3. Расчет и проектирование сооружений для газификации отходов......................... |
393 |
16.4. Расчет и проектирование сооружений для сжигания твердых отходов................. |
396 |
Список литературы.............................................................................................................. |
399 |
6
МОДУЛЬ 1
МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕПОДХОДЫ КРАСЧЕТУИ ПРОЕКТИРОВАНИЮСИСТЕМ
ОБЕСПЕЧЕНИЯБЕЗОПАСНОСТИ
*
ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ СИСТЕМ ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ
1.1. ПОНЯТИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ОПАСНОСТИ
Экологическая опасность – возможность разрушения (полного или частичного) среды обитания человека, растений и животных в результате неконтролируемого развития экономики, отставания технологий, естественных катастроф и антропогенных аварий, вследствие чего нарушается приспособление живых систем к условиям существования.
Экологическая опасность возрастает с развитием современного технологического кризиса. Техногенные загрязнения губительно действуют на организм человека, на окружающую природную среду. Технологический кризис порождает экологический кризис XХI века [1].
Экологическая напряженность практически во всех регионах России вызвана серьезными причинами (рис. 1.1, 1.2), среди которых: радиационное и химическое загрязнение ряда территорий; неконтролируемый рост количества вредных промышленных и бытовых отходов; невосполнимые издержки в организации землепользования и лесного хозяйства; повседневный сброс в воздушное пространство и водный бассейн огромного количества вредных для здоровья людей веществ, другие техногенные воздействия на природу; остаточный принцип финансирования природоохранных мероприятий; несовершенство экологического законодательства; низкая экологическая культура населения; бездействие властных структур всех уровней в деле охраны окружающей среды [2].
Рассмотрим такие виды экологической опасности, как проблема разрушения озонового слоя и проблема радиоактивных отходов. По мнению специалистов, в жизни животных и растений велика роль озонового слоя атмосферы. Он защищает поверхность Земли от опасного для живых
* При разработке конспекта лекций по модулю 1 были использованы материалы учебного пособия: Орлова А.И. Проблемы управления экологической безопасностью. – 2- е электр. изд.,
испр. и доп. – М., 2000 (М., 2002 (с изм.)).
8
Рис. 1.1. Классификация промышленных загрязнений
Рис. 1.2. Классификация факторов, загрязняющих природную среду
9
существ ультрафиолетового излучения Солнца. Промышленность выбрасывает в атмосферу миллионы тонн веществ (содержащих хлор, фреон
ит.п.), разрушающих озоновый слой. В результате озоновый слой стал истощаться, в нем появились «дыры», сквозь которые на поверхность Земли хлынул поток губительного ультрафиолета. Многообразные последствия не заставили себя ждать. Возросла заболеваемость людей раком кожи. Наблюдается рост числа болезней глаз, органов дыхания, иммунной системы. Загорать на солнце стало опасно для здоровья. Для обеспечения экологической безопасности необходимы скоординированные в масштабах Земли меры по защите озонового слоя, в частности, по снижению выбросов в атмосферу разрушающих его веществ.
Проблема радиоактивных отходов связана с тем, что топливные элементы ядерных реакторов, установленных на атомных электростанциях (АЭС), кораблях и подводных лодках, радиоактивные составляющие медицинских и научных приборов, промышленных средств контроля
ипрочего рано или поздно вырабатывают свой ресурс. Они должны быть утилизированы. В частности, должна быть обеспечена экологическая безопасность отходов. Но дело в том, что надежные и в то же время достаточно дешевые методы утилизации радиоактивных отходов пока не разработаны. Те ученые, которые пятьдесят лет назад осуществляли пуск первых АЭС, полагали, что методы утилизации будут вскоре разработаны. К сожалению, они ошиблись.
Внастоящее время наиболее надежная технология утилизации радиоактивных отходов выглядит так. Отходы остекловывают (сплавляют в стекловидную массу), помещают в стальные контейнеры (толщина стенок – 30 см). Контейнеры загружают в бетонные емкости (толщина более 1 м) и опускают в специальные шахты на глубину не менее 0,5–1 км. Шахты должны быть пробиты в граните или иной твердой породе в зоне тектонического спокойствия. Очевидно, такая технология утилизации радиоактивных отходов не только надежная, но и весьма дорогая. Поэтому в настоящее время большое количество радиоактивных отходов находится в «переходном состоянии» – они уже не «работают», выведены из соответствующих реакторов, но еще и не захоронены, находятся во временных хранилищах и потому представляют собой большую экологическую опасность.
Есть еще много иных видов экологической опасности. Например, на здоровье жителей больших городов весьма вредно действуют выхлопные газы автомобилей. В данном случае обеспечить полную эколо-
10