Oxorona_atmosfernogo_povitria / Хараев.Инженерная защита атмосферы

Рецензент: Цыцыктуева Л.А. к.х.н., нач. отдела МУП Водоканал г.Улан-Удэ

В пособии изложены основы инженерной защиты природной среды от антропогенного воздействия путем установления экологических нормативов допустимой техногенной нагрузки в зоне действия промышленного, транспортного или коммунального объекта. Приведены примеры современных методов расчетов выделений загрязняющих веществ в наиболее распространенных технологических процессах и производствах. Даны контрольные задания для аудиторной и самостоятельной работы студентов. Оно может быть использовано при работе над курсовым и дипломным проектом.

Пособие предназначено для студентов, обучающихся по специальности 330200, 330700, а также студентов технических специальностей вузов.

©Хараев Г.И.

ссоавтор., 2003 г.

С ОД Е Р Ж А Н И Е ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………4

1.ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ. ЗАВИСИМОСТИ И РАСЧЕТНЫЕ ФОРМУЛЫ.............................................9

1.1.Выделение загрязняющих веществ………………...... 9

1.1.1.Механическая обработка металлов…………………9

1.1.2.Сварка, наплавка, пайка, электрогазорезка металлов………….....................................................11

1.1.3.Нанесение лакокрасочных материалов…..…….....13

1.1.4.Работа двигателей автотранспорта….…………….17

1.1.5.Сжигание топлива в котельных…………………...21

1.2.Учет наличия и эффективности очистных устройств, оседания и налипания аэрозолей…………………….28

1.3.Установление нормативов предельнодопустимого выброса ПДВ (ВСВ)…………………………………..32

1.3.1.Рассеивание загрязняющих веществ, выброшенных в атмосферу организованным источником…………34

1.3.2.Учет фонового загрязнения и корректировка ССЗ…………..............................................................41

1.4. Балансовые методы расчета……………………………49

1.4.1.Материальный баланс……………………………….50

1.4.2.Энергетический баланс……………………………..52 2. ПРИМЕРЫ………………………………………………55

3. КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ……………….........…….77

Основные условные обозначения и сокращения ................96

ЛИТЕРАТУРА…………………………………………….100

3

ВВЕДЕНИЕ

Чистый воздух, лишенный пылевидных и газообразных загрязнений, является недостижимым идеалом, не встречающимся в природе из-за постоянного динамического обмена между атмосферой, гидросферой и литосферой, а также как результат естественного (природного) загрязнения, в том числе из-за пожаров, пыльных бурь, извержений вулканов и многого другого.

Человечество не может существовать, не оказывая антропогенного воздействия на биосферу, поэтому одной из главных задач комплекса работ по охране окружающей природной среды является определение нормативов воздействия, т.е. установление пределов, в которых признается допустимым то или иное воздействие.

В теоретическом плане основой всей системы экологического нормирования является экологический норматив, т.е. по определению Н.Ф.Реймерса [1], степень максимально допустимого вмешательства человека в экосистемы, обеспечивающая сохранение у экосистем желательной структуры и динамических качеств (воздействие, не ведущее к опустыниванию). Нормированием качества среды называется установление пределов, в которых допускается изменение ее естественных свойств.

Для практических целей требуются несколько иные нормативы, учитывающие, в частности, необходимость последующего контроля и существующую практику государственной статотчетности. Реагировать на исчезновение даже отдельных компонентов слишком поздно.

4

1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ЗАВИСИМОСТИ

И РАСЧЕТНЫЕ ФОРМУЛЫ

Санитарно-гигиеническое нормирование загрязнения атмосферы в настоящее время разработано наиболее полно и научно обосновано.

Нормирование выбросов загрязняющих веществ (ЗВ) в атмосферу производится путем установления значений предельно допустимых выбросов (ПДВ) этих веществ для всех источников выбросов.

ПДВ – это масса выбросов вредных веществ в единицу времени от данного источника или совокупности источников загрязнения атмосферы производственного объекта (промплощадки, предприятия, населенного пункта, города и т.д.) с учетом перспективы развития всех предприятий и рассеивания вредных веществ в атмосфере, создающая приземную концентрацию, не превышающую их предельно допустимые концентрации (ПДК) для населения, растительного и животного мира, если нет других, более жестких экологических требований или ограничений (с осреднением в любой 20-ти минутный период времени).

Нормативы ПДВ являются основой для проведения экологической экспертизы и планирования мероприятий по снижению загрязнения атмосферы.

Наиболее полный перечень веществ, загрязняющих атмосферный воздух. со значениями всех утвержденных Госкомсанэпиднадзором России видов ПДК для них, с синонимами и торговыми названиями, а также с рекомендуемыми кодами приведен в подготовленном НИИ «Атмосфера» Минприроды России издании [2].

Первым этапом любого нормирования загрязнения атмосферы является инвентаризация источников выделения и выбросов ЗВ, которая на практике

5

выполняется:

-методом инструментального измерения;

-расчетным методом.

Настоящее издание основывается на методиках, принятых в практике инвентаризации расчетным методом, имеющим в ряде случаев определенные преимущества и незаменимом при принятии проектных решений. Расчетный метод основывается:

-на материальном балансе технологического процесса;

-на использовании удельных показателей выделений ЗВ за единицу времени либо отнесенных к единице оборудования, масс продукции, сырья или расходных материалов.

-в действующей природоохранной нормативнотехнической документации в области защиты атмосферы от загрязнения [3 … 5] приняты следующие понятия.

Источник выделения ЗВ – объект, в котором происходит образование ЗВ (установка, аппарат, устройство, емкость для хранения, двигатель, свалка отходов и т.п.)

Источник загрязнения атмосферы (источник выброса) – объект, от которого загрязняющее вещество поступает в атмосферу (труба, вентшахта, аэрационный фонарь, открытая стоянка транспорта и т.п.).

Возможны следующие сочетания источников загрязнения атмосферы (выброса) и источников выделения ЗВ:

•

•

•несколько источников выделения – ряд источников загрязнения (выброса). Например, в общем помещении цеха работают 3 заточных и 17 металлорежущих станков, 2 поста электросварки и одна газорезка, а для вентиляции используется одна общеобменная приточно-вытяжная вентсистема и 4 местных вытяжных системы.

•все источники загрязнения атмосферы (источники выброса) подразделяются в соответствии с классификацией, приведенной на рис. 1.1, при этом

используются термины, имеющие следующие определения.

Стационарный источник – источник имеющий постоянное место в пространстве относительно заводской системы координат (труба котельной, открытие фрамуги цеха и т.п.).

Передвижной источник – источник, не занимающий постоянное место на территории предприятия (транспортные средства, передвижные компрессоры и дизель-генераторы электросварки и т.п.).

Организованный источник – источник,

осуществляющий выброс через специально сооруженные устройства (трубы, газоходы, вентиляционные шахты).

Неогрганизованный источник – источник загрязнения осуществляющегося в виде ненаправленных потоков газа, как результат, например, нарушения герметичности оборудования, отсутствия или неэффективной работы систем по отсосу газов (пыли) в местах загрузки (выгрузки) или хранения продукта (топлива), а также пылящие отвалы, открытые емкости, стоянки, промплощадки малярных работ и т.п.

Точечный источник – источник в виде трубы или вентиляционной шахты с размерами сечения, близкими друг к другу (трубы круглого, квадратного, прямоугольного сечения и т.п.).

Линейный источник – источник в виде канала (щели) для прохода загрязненного газа (воздуха) с поперечным сечением, имеющим значительную протяженность (длину) в несколько раз большую, чем ширина (высота), например, ряд открытых, близко расположенных в одну линию оконных фрамуг, либо

8

аэрационные фонари и т.п.

Плоскостный источник – источник, имеющий значительные геометрические размеры площадки, по которой относительно равномерно происходит выделение загрязнений и , в том числе, как результат рассредоточения на площадке большого числа источников (бассейн, открытая стоянка автотранспорта и т.п.).

Отнесение источника загрязнения (выброса) к точечному, линейному или плоскостному типу производится с целью определения математического аппарата, который используется впоследствии при расчете рассеивания загрязнения в атмосфере в соответствии с ОНД-86 [4].

В данном пособии приведены методики и примеры определения значений максимально разовых выделений (выбросов) ЗВ (г/с) и валовых выделений (выбросов) (т/год). Основой послужили издания [6 … 14].

Нормативы валовых выбросов используются при экономическом стимулировании природоохранной деятельности, а нормативы максимально разовых выбросов

–при контроле соблюдения ПДВ.

1.1.Выделение загрязняющих веществ

1.1.1.Механическая обработка

материалов

Характерной особенностью процессов механической обработки материалов является выделение твердых частиц (пыли), а при обработке материалов с применением смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ) – дополнительно выделение аэрозоля СОЖ.

В качестве СОЖ рекомендуются нефтяные минеральные масла и различные эмульсии, которые уменьшают выделение пыли на 85 … 90%.

При обработке металлов и сплавов наихудшим вариантом, который используется для дальнейших расчетов

9

и установления нормативов загрязнения атмосферы, считается тот, когда химический состав пыли идентифицируется как оксиды соответствующих металлов.

При работе заточных и шлифовальных станков, наряду с пылью металлической, имеющей состав обрабатываемого материала или, в худшем случае, оксидов обрабатываемого металла, также выделяется пыль абразивная, по составу аналогичная материалу шлифовального (заточного) круга.

1. Максимально разовое выделение (в г/с) загрязняющего вещества (пыли) от группы из m штук одновременно работающих станков определяется по

где gi – удельное выделение ЗВ при работе на i-м станке, г/ч;

kсож – коэффициент, учитывающий применение (= 0,15) или отсутствие (= 1) СОЖ на i-м станке.

2. Валовое выделение (в т/год) загрязняющего

где Ti – суммарное время работы на i-м станке за год, ч/год;

Ni – количество дней работы на i-м станке за год; ti – время работы на i-м станке за день, ч.

3. Максимально разовое выделение (в г/с) аэрозоля СОЖ от группы из m штук одновременно работающих станков

где gсожi - удельное выделение аэрозоля СОЖ при работе на i-м станке, г/кВт;

W*i - мощность электродвигателя i-го станка, кВт. 4. Валовое выделение (в т/год) аэрозоля СОЖ от

группы из m штук станков определяется по формуле: 10

М = ∑ gсожi • W*i• Тi • 10-6 =

= ∑ gсожi • W*i• ti • Ni • 10-6, (1.4)

где Тi - суммарное время работы на i-м станке за

день, ч;

ti - время работы на i-м станке за день, ч;

Ni - количество дней работы i-го станка за год.

5. В случаях, когда в справочных изданиях приводятся удельные нормативы выделения ЗВ, отнесенные к единице массы перерабатываемого материала, расчет удельного выделения, отнесенного к единице времени (в г/с), проводится по формуле:

где g* - удельное выделение ЗВ, г/кг;

p – количество перерабатываемого материала за цикл, кг/цикл;

Тпер – длительность цикла переработки материала,

ч/цикл.

1.1.2. Сварка, наплавка, пайка, электрогазорезка металлов

Процессы сварки, наплавки и тепловой резки металлов сопровождаются выделением сварочного аэрозоля и газов, количество которых пропорционально расходу сварочных материалов (электродов, сварочной проволоки и т.п.), а при контактной электросварке – номинальной мощности применяемого оборудования.

Сварочный аэрозоль и аэрозоль, выделяющийся при газовой резке, преимущественно состоят из оксидов свариваемых (разрезаемых) металлов или компонентов сплавов (железа, марганца, хрома, титана, алюминия и т.д.).

Применение для нагрева деталей тепла от сжигания горючих газов (ацетилена, пропан-бутановой смеси и т.п.) ведет к выделению оксидов азота и углерода, в количестве, зависящем от вида процесса нагрева и расхода горючего газа.

11

1. Максимально разовое выделение (в г/с) загрязняющего вещества (компонентов сварочного аэрозоля и сопутствующих газов) от группы из m штук одновременно работающих сварочных постов (машин электроконтактной сварки) определяется по формулам:

G = ∑ g*i • p/Тпер • 3600, (1.6)

где g*i - удельное выделение ЗВ i-го поста, г/кг;

р - количество использованного сварочного материала за время непрерывной работы (цикл) i-го поста, кг/цикл;

Тпер - длительность цикла сварки i-го поста, ч/цикл; или

G = ∑ g#i • Wi/50 • 3600, (1.7)

где g#i – удельное выделение ЗВ при работе i-й электроконтактной машины, г/ч на 50 кВт номинальной мощности машины;

Wi – номинальная мощность i-й машины, кВт.

2. Максимально разовое выделение (в г/с) загрязняющего вещества (продуктов горения) от группы из n штук одновременно работающих горелок при сварке, наплавке, пайке или газорезке металлов определяется по формуле:

где g*j – удельное выделение ЗВ j – й горелки, г/кг;

р – количество использованного горючего газа за время непрерывной работы (цикл) j – й горелки, кг/ цикл;

Тпер – длительность работы j-й горелки, ч /цикл.

3. Максимально разовое выделение (в г/с) загрязняющего вещества (компонентов аэрозоля и сопутствующих газов) от группы из m штук одновременно работающих газовых резаков:

где gi – удельное выделение ЗВ при работе i-го резака, г/ч. 12

4. Пересчет справочных значений удельных выделений ЗВ

от газового резака можно провести по формуле:

g = g0 · L , (1.10)

где g – удельное выделение ЗВ при работе резака, г/ч; g0 – удельное выделение ЗВ при работе резака, г/пог.м

L– производительность газового резака, пог. м/ч.

5.Валовое выделение (в т/год) загрязняющего вещества от

где gi* - удельное выделение ЗВ i – го поста, г/кг;

Рi – общее количество сварочного материала или горючего газа, использованного i- м постом за год, кг/год.

М = ∑gi# Wi Ti 10−6 / 50 = ∑gi# Wi Ni t 2 10−8 (1.12)

где Тi – суммарное количество сварки i-й машины за год, ч/год;

ti – время сварки на i-й машине за день, ч;

Ni – количество дней работы i-й машины за год.

6. Валовое выделение (в т/год) загрязняющего вещества от группы из m штук газовых резаков:

где gi – удельное выделение ЗВ при работе i – го резака, г/ч;

Ti – суммарное время работы на i-м станке за год, ч/год;

ti – время работы на i-м станке за день, ч;

Ni - количество дней работы на i – м станке за год.

1.1.3. Нанесение лакокрасочных материалов

Для нанесение на изделие защитных и декоративных покрытий используют различные шпатлевки,

13

грунтовки, эмали и лаки, содержащие пленкообразующую основу (минеральные и органические пигменты, пленкообразователи и наполнители) и растворители или разбавители (преимущественно смеси легколетучих углеводородов ароматического ряда, эфиров, спиртов и т.п.) [11, 12].

Формирование покрытия на поверхности изделий заключается, как правило, в нанесении лакокрасочного материала (ЛКМ) и его сушке. При этом в воздух выделяются аэрозоль краски и пары компонентов растворителя, количество зависит от технологии окраски, производительности применяемого оборудования, состава ЛКМ и растворителей.

После завершения окраски и сушки летучих компонентов изделии не остается, они практически полностью испаряются. Меньшая часть переходит в газообразное состояние, во время окраски, большая – при сушке.

При распылении ЛКМ образуется аэрозоль краски, первоначальный состав которого идентичен составу наносимой смеси ЛКМ с растворителем (разбавителем). Через определенное время растворитель из жидких капель аэрозоля переходит в газовую фазу и аэрозоль краски представляет смесь воздуха с твердыми частицами сухого остатка ЛКМ. От способа (технологии) распыления зависит доля общего количества краски, переходящая в момент нанесения покрытия в аэрозоль, уносимый в окружающее мимо окрашиваемого изделия. И попадающий в вытяжную вентиляционную систему. Нанесение ЛКМ кистью, окунанием, обливом, так же, как ручное выравнивание поверхностей шпатлеванием и подобные им процессы не сопровождаются образованием аэрозоля краски.

Исходный состав ЛКМ может разбавляться растворителями (разбавителями) до определенной вязкости в соответствии с требованиями технологии конкретного

14

способа нанесения ЛКМ, например при пневматическом распылении грунтовки, эмали и т.п. добавляется соответствующий растворитель приблизительно в количестве 1/3 от объема исходного ЛКМ.

Всвязи с незначительным наличием растворителей

вшпатлевке учитывать их отдельно считается не целесообразным, а рекомендуется включать в расход растворителей при окраске и сушке.

Окраска и сушка осуществляется как в специализированных камерах (шкафах и т.п.), так и просто

впомещении окрасочных участков.

Специализированные камеры могут быть с автономными вытяжными вентиляционными системами и использоваться отдельно для окраски и отдельно для сушки с перемещением окрашиваемых изделий между ними, а также могут быть комбинированными с общей вентиляцией и последовательным проведением окраски и сушки.

Расчет выделения ЗВ на участках (в цехах) окраски ведется раздельно для окрасочного аэрозоля (сухого остатка) и компонентов растворителей, для грунтовки, ручной подкраски и послойного нанесения многослойных покрытий ЛКМ, а также для окраски и для сушки.

Общее валовое выделение летучих компонентов растворителей и разбавителей в соответствии с материальным балансом должно равняться расходу растворителей, и разбавителей и летучей части исходной ЛКМ, использованном на рассматриваемом участке (в цехе) за соответствующий период времени (месяц, квартал, год). Общий валовый выброс летучих компонентов в атмосферу всех вентиляционных систем равен разнице между их между общим выделением и суммарным уловом этих компонентов в действующих газоочистных устройствах на рассматриваемом участке (в цехе).

15

1. Валовое выделение (в т/год) аэрозоля краски в процессе окраски определяется по формуле:

где Zкр – количество израсходованного исходного ЛКМ, т/год;

сух – доля сухого остатка в исходном ЛКМ,%; δаэр – доля ЛКМ потерянного виде аэрозоля,%.

Причем:

2.Валовое выделение (в т/год) i –го летучего компонента:

впроцессе окраски:

+ Z раст ϕiррас βсуш 10−4,

(1.16)

где: Zраст – количество растворителя, израсходованного за год на разбавление исходного ЛКМ до требуемой вязкости, т/год;

16

φiкр – доля i-го компонента в летучей части исходного ЛКМ;

(φiраст) - (в растворителеразбавителе), %;

βок – доля растворителя, испаряющаяся за время

окраски (βсуш) - (за время сушки), %.

Причем:

1. Максимальное разовое выделение (в г/с) ЗВ определяется для наиболее напряженного времени работы участка (специализированной камеры, печи), когда расходуется наибольшее количество ЛКМ, по формуле:

G(аэр) = Мmax · 106/ (3600 · n · t), (1.17)

где Мmax – валовое выделение i-го компонента растворителя

(аэрозоля краски) за месяц наиболее напряженной работы (Мiок, Мiсуш, или Маэр), т/месяц;

n – число дней работы участка (камеры, печи) в этом месяц, дн/мес;

t – среднее чистое время работы (окраски, сушки) участка (камеры, печи) за день в наиболее напряженный месяц, ч/день.

1.14. Работа двигателей автотранспорта

Основная причина загрязнения воздуха разнообразными двигателями, использующими в качестве топлива продукты нефтепереработки, заключается в неполном и неравномерном сгорании топлива. Камера

17

сгорания двигателей – своеобразный химический реактор, синтезирующий загрязняющие вещества, выделяющиеся с выхлопными газами в атмосферу.

Основная химическая реакция, протекающая в процессе сгорания топлива, может быть представлена

где Cx Xy – условное обозначение гаммы углеводородов, входящих в состав топлива.

Однако эта реакция не проходит полностью даже при стехиометрическом соотношении исходных компонентов.

Основными загрязняющими веществами, входящими в состав выхлопных газов практически всех двигателей, являются CO, Cn Hm, NOx. При определенных условиях в

автотранспорта осуществляются на следующих основных этапах его работы: прогрев двигателя, холостой ход, пробег по территории предприятия и движение по трассе [7.8].

Удельные выбросы ЗВ двигателями автотранспорта зависят от категории автомобилей, от их грузоподъемности, типа двигателя, используемого топлива, организации контроля содержания ЗВ в отработавших газах, периода года.

Выделяют холодный, теплый и переходной периоды года, отличающиеся величиной среднемесячной температуры. Месяцы, в которых среднемесячная температура ниже минус 50 С, относятся к холодному периоду; месяцы со среднемесячной температурой выше плюс 50 С – к теплому периоду, а с температурой от минус 50С до плюс 50 С – к переходному периоду. Для разных климатических зон продолжительность условных периодов разная и определяется согласно СНиП 2.01.01-82 [15].

Влияние периода года учитывается только для

18

теплого периода года .

Пробег автомобиля по территории предприятия в день соответствует пути , проходимому от центра площадкистоянки до ворот при въезде и выезде в сумме .

Массовый выброс продуктов неполного сгорания при прогреве двигателя – величина непостоянная, по мере прогрева выбросы СО , Сn Нm и сажи (С ) уменьшается, а

К-й группы в день при выезде с территории

где gпр – удельное выделение ЗВ при прогреве двигателя автомобиля, г/мин;

gL – удельное выделение ЗВ при движении по территории, г/км;

gхх – удельное выделение ЗВ двигателем на холостом ходу, г/мин;

L/ (L//)- пробег по территории предприятия в день при выезде (возврате), км;

tпр – время прогрева двигателя, мин;

tхх – время работы двигателя на холостом ходу, мин. Величина tпр принимается одинаковой для различных

типов автомобилей, но существенно зависит от температуры воздуха:

19