Расчетное обоснование уровня защищенности воздушной среды от негативного воздействия мелкодисперсной пыли предприятий по производству гипсовых строительных материалов

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

С / С

норм ' ^

ас.

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

если ^ < d„

В

ис \ ис '

В

ост V ост /

ВЦ )

атм .

0 еСЛи dч > dатм

0 если dис < dч < dатм ,

100 •

0, если dч < duc, 100 • (В (dч) - В(dатм)) ,если dч > dш

100 - В

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.).