на правах рукописи

МАРИНИН НИКИТА АНДРЕЕВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ ДИСПЕРСНОГО СОСТАВА ПЫЛИ В

ИНЖЕНЕРНО-ЭКОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ И ВЫБРОСАХ В

АТМОСФЕРУ ПРЕДПРИЯТИЙ СТРОЙИНДУСТРИИ

05.23.19 Экологическая безопасность строительства

и городского хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Волгоград – 2014

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет»

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор АЗАРОВ ВАЛЕРИЙ

НИКОЛАЕВИЧ

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Желтобрюхов Владимир Федорович, ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный технический университет», заведующий кафедрой «Промышленная экология и безопасность жизнедеятельности»

кандидат технических наук, доцент Николенко Денис Александрович, директор научноисследовательского института проблем дорожно-транспортного комплекса (ДорТрансНИИ РГСУ), доцент кафедры «Автомобильные дороги» ФГБОУ ВПО «Ростовский государственный строительный университет»

Ведущая организация Научно-исследовательский институт охраны атмосферного воздуха ОАО «НИИ Атмосфера»

г. Санкт-Петербург

Защита диссертации состоится 10 декабря 2014 г. в 10-00 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.026.05 при ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет»

по адресу: 400074, г. Волгоград, ул. Академическая, 1, ауд. 203, корп. Б.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет»

Автореферат разослан октября 2014г.

Ученый секретарь Юрьев Юрий диссертационного совета Юрьевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Частицы с размерами менее 2,5 мкм (РМ2,5) и не более 10 мкм (РМ10) обладают высокой адсорбционной способностью с возможностью поглощения вредных примесей, содержащихся в газах, а также при производстве строительных материалов. Имеются сведения из литературных источников, что максимальную опасность составляют мелкодисперсные частицы пыли, проникающие через легкие в организм человека. В связи с этим в ряде стран ЕЭС и США содержания частиц в атмосферном воздухе с размерами не более 2,5 мкм (РМ2,5) и не более 10 мкм (РМ10). Была предпринята попытка нормирования данных классов тврдых взвешенных частиц (ТВЧ) в воздухе жилой застройки и в воздухе рабочей зоны в РФ. Однако для выбросов предприятий не установлено нормирование концентрации взвешенных веществ с учетом размеров частиц. Для объективного контроля воздействия промышленных выбросов пыли на организм человека и окружающую среду необходимо определение концентрации и состава именно малых размеров частиц.

При оценке результатов исследований направленных на снижение запыленности использовался метод «рассечения», основанный на рассмотрении отдельно мелких и крупных фракций от общей массы. Данные характеристики для выбросов пыли, поступающей в атмосферу, как правило, непостоянны по причине колебаний параметров выбросов, связанных с технологическими процессами, а также влиянием метеорологических условий и других факторов. Исходя из этого, целесообразным является решение задач экологической безопасности с использованием усовершенствованных методов анализа дисперсного состава и оценки концентрации доли мелкодисперсной пыли в выбросах строительных предприятий. На основе данного подхода было проведено совершенствование методов контроля и оценки доли мелкодисперсной пыли в воздушной среде.

Цель работы - повышение экологической безопасности при выбросах пыли в атмосферу и в инженерно-экологические системы от предприятий стройиндустрии и производства строительных материалов с определением массы в выбросах пыли предприятий.

В соответствии с поставленной целью были определены следующие задачи:

проведение экспериментальных исследований для определения дисперсного состава пыли в выбросах в атмосферу на предприятиях стройиндустрии;

совершенствование методики исследования дисперсного состава пыли микроскопическим методом для задач экологического мониторинга и оценки эффективности систем пылеулавливания;

совершенствование метода «рассечения» при определении доли мелкодисперсной пыли в выбросах в атмосферу и в инженерноэкологических системах предприятий стройиндустрии;

экспериментальное исследование концентрации мелких фракций пыли в выбросах предприятий строительной индустрии (РМ10, РМ2,5).

Основная идея работы состояла в оценке и контроле содержания мелкодисперсной пыли РМ10 и РМ2,5 в выбросах в атмосферу с использованием метода «рассечения» для решения задач экологической безопасности.

Методы исследования.

Анализ существующих методов проведения дисперсного анализа пыли, промышленные и лабораторные исследования, обработка данных математическим и программным путм с применением ПК.

Достоверность проведнных исследований, результатов, выводов и рекомендаций аргументирована применением положений теоретического анализа указанных в учебной литературе, лабораторными и промышленными исследованиями.

Научная новизна:

доказано, что подавляющее большинство пыли в выбросах предприятий строительной индустрии подчиняется усечннологарифмическому распределению;

определены критические диаметры для пылевых выбросов от предприятий по производству строительных материалов, как одни из наиболее важных параметров, с помощью усовершенствованного метода «рассечения»;

на основании экспериментально-промышленных исследованиях получены зависимости, характеризующие дисперсный состав пыли в выбросах силикатного, гипсового, цементного и ряда других производств;

разработан расчетный метод определения концентрации РМ 10 и РМ2,5 для выбросов от предприятий стройиндустрии;

Практическое значение работы:

определены и систематизированы данные промышленных исследований пылевого загрязнения, поступающего с выбросами в атмосферу от предприятий по производству строительных материалов;

проведены экспериментальные исследования дисперсного состава в пылевых выбросах в атмосферу от предприятий стройиндустрии;

разработана и прошла метрологическую аттестацию в соответствии с требованиями ГОСТ Р 8.563-2009 “ГСИ. Методики (методы) измерений" «Методика микроскопического анализа дисперсионного состава пыли для выбросов в атмосферу с применением персонального компьютера (ПК)».

построены интегральные функции распределения массы частиц по диаметрам с помощью метода «рассечения» для гипсового, силикатного, цементного производств;

определены концентрации мелких фракций пыли (РМ10 и РМ2,5) для предприятий строительной отрасли.

Реализация результатов.

дисперсионного состава пыли для выбросов в атмосферу с применением персонального компьютера (ПК)» вошла в «Перечень методик измерений концентраций загрязняющих веществ в выбросах промышленных предприятий», допущенных к применению в научно-исследовательских, проектных и других организаций и служб, работающих в сфере охраны окружающей среды и экологической безопасности Министерства природных ресурсов и экологии Российской Федерации;

разработаны рекомендации при проектных решениях по улучшению качества воздуха по ряду предприятий строительной индустрии;

Экотехмониторинг», ООО «ПТБ Волгоградгражданстрой» рекомендации по расчету и разработанная методика микроскопического анализа дисперсионного состава пыли с применением персонального компьютера (ПК);

материалы диссертационной работы использованы кафедрой БЖДТ ГОУ ВПО Волгоградского государственного архитектурностроительного университета в учебном процессе при подготовке инженеров, магистров и аспирантов по направлениям «Техносферная безопасность» и «Строительство».

На защиту выносятся:

- теоретическое и экспериментальное обоснование применения метода «рассечения» для контроля и оценки дисперсного состава пыли в инженерноэкологических системах и в выбросах строительных производств с использованием алгоритма расчета диаметра «рассечения»;

- экспериментальные зависимости, характеризующие дисперсный состав пыли и е концентрацию, от времени и расстояния до источника пыления;

- результаты теоретических и экспериментальных исследований эффективности работы пылеуловителя инженерно-экологической системы от - результаты применения усовершенствованного метода контроля дисперсного состава пыли гипсового камня при оценке Апробация. Основные положения и результаты работы докладывались и получили одобрение на: VIII международной конференции «Качество внутреннего воздуха и окружающей среды» (Самарканд, 2010 г.); IX международной конференции «Качество внутреннего воздуха и окружающей среды» (Волгоград, 2011 г.); XI Международная конференция «Качество внутреннего воздуха и окружающей среды» (Ханой – 2013); VII Международная научно-практическая конференция «Экологические проблемы современности» (Пенза, 2011); ежегодных научно-технических конференциях Волгоградского государственного архитектурностроительного университета (Волгоград, 2011-2013 г.); IV международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы экологии и охраны труда» (Курск, 2012); XVII Ежегодный международный воздушный Конгресс «Атмосфера-2014».

Публикации. По материалам диссертации опубликованы научные работы - 36, в том числе 16 статей - в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, определенных ВАК РФ, два патента.

Объём и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Общий объем работы составляет 165 страницы, в том числе: 129 страниц – основной текст, содержащий 14 таблиц на 19 страницах, 46 рисунков на 43 страницах; список литературы из 213 наименований на 29 страницах, 2 приложения на 6 страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель, задачи и основная идея работы, ее научная новизна и практическая значимость, приведены сведения об апробации и практическом внедрении результатов проведенных исследований.

В первой главе рассмотрено современное состояние вопроса анализа дисперсного состава пыли в инженерно-экологических системах и выбросах от предприятий строительной индустрии, проведен анализ существующих методов его описания, представлены варианты обработки результатов.

Дисперсный состав пыли является главным фактором при решении таких задач: оценка инженерно-экологических систем, как источников пылевыделения и накопления пыли, закономерностей пылеоседания и распространения пыли на дальние расстояния, анализ е свойств в выбросах в атмосферу.

Основами теоретического обоснования дисперсного состава пыли, а также зависимостью распределения массы частиц по диаметрам занимались учные: Н. А. Фукс, Е.П. Медников, А.Н. Колмогоров, Г.И. Ромашов, П.А.

Коузов, Н.Я. Авдеев и др. Данные исследования доказали, что большинство строительных пылей подчиняется логарифмически-нормальному закону распределения, если речь идет о продуктах размола. Однако в последующих работах В.А. Минко, Е.И. Богуславского, В.Н. Азарова и других исследователей доказано, что для пыли, выделяющейся при многих технологических процессах на предприятиях, вообще говоря характерно логарифмически нормальное распределение.

Исследования дисперсного состава пыли, как в инженерноэкологических системах, так и в выбросах в атмосферу на ряде производств показали, что наблюдаются значительные колебания е функции прохода в результате изменений технологических факторов и параметров производственной среды.

Анализ результатов дисперсного состава пыли строительных производств показал количественное преобладание мелкодисперсной фракции пыли над крупнодисперсной. Обзор отечественной и зарубежной практики нормирования качества воздуха по содержанию взвешенных частиц показал, что во многих странах норматив устанавливается с учетом размера взвешенных частиц (PM10 и PM2.5) вследствие их различного действия на организм человека и длительности нахождения во взвешенном состоянии в воздухе.

Несмотря на это в настоящее время практически отсутствуют методы их контроля и оценки, хотя защита работающих от воздействия частиц именно мелких фракций пыли и необходимость их улавливания являются первостепенными задачами экологической безопасности на производстве.

Вторая глава посвящена методическим основам исследования дисперсного состава пыли в выбросах в атмосферу.

Одной из главных задач, поставленных в работе, было исследование существующих приборов для проведения дисперсного анализа пыли в выбросах в атмосферу. В связи с тем, что концентрация пыли по фракциям в выбросах является важным показателем степени воздействия пыли на организм человека, е, необходимо учитывать при оценке пылевой обстановки на предприятиях строительной отрасли. Особенно актуальна эта проблема в реальных условиях при стохастичности параметров воздуха и условий технологического процесса, когда необходимо проведение достаточно большого числа замеров, позволяющих получить не только средние значения фракционных концентраций Сфd, но и их вероятностные характеристики.

Проведнные исследования приборов предназначенных для дисперсного анализа пыли показали, что во всех устройствах есть свои недостатки: это либо сжатый диапазон измерения, либо метод основанный на оптическом измерении, что вносит довольно высокий уровень погрешности, либо решающим фактором является стоимость оборудования. Поэтому в РФ разрабатываются методики по проведению исследований дисперсного состава пыли, направленные именно на определение тех размеров частиц, которые учитываются при нормировании. Использование микроскопического метода требует меньших материальных затрат и позволяет получить либо дискретные распределения дисперсного состава (при использовании, например, импакторов), либо непрерывные (при использовании микроскопического метода определения дисперсного состава).

Методика проведения дисперсного анализа пыли Для предприятий строительной индустрии использовалась методика микроскопического анализа дисперсного состава пыли предназначенная для измерений величины пылевидных частиц путем фотографирования образцов, и дальнейших расчетов дисперсного состава пыли с применением ПК, которая позволяет проводить измерения частиц с размерами от 0,5 мкм до 250 мкм, что подходит для данного вида отрасли.

Рисунок 1 – ИФРМЧД для пыли оседающей в атмосфере цеха цементного производства со скоростью: 1 – 0,6 м/с; 2 – 0,4 м/с; 3 – 0,3 м/с; 4 – 0,24 м/с; 5 – 0,2 м/с; 6 – 0,17 м/с; 7 – 0,15 м/с; 8 – 0,13 м/с; 9 – 0,12м/с.

Анализ дисперсного состава пыли после проведения оседания позволяет получить наглядное распределение частиц от малого диаметра до крупного, тем самым сведя к минимуму погрешность при измерении другими методами. В частности, там, где приходится брать выборку случайным образом. А интегральную функцию для всей совокупности пыли Dср можно найти:

j – частицы на i-скотче;

dij – диаметр j частицы на i скотче;

N – количество скотчей;

ni – число частиц на i-скотче.

В итоге после проведения расчта можно определить массу исходной навески.

Таким образом, седиментометрический метод, обладает целым набором преимуществ перед другими методами. Воспользовавшись методом седиментометрии для определения дисперсного состава пыли, можно получить данные обширно раскрывающие и показывающие суть проблемы и опасности мелкодисперсной пыли:

определить большинство характеристик пыли, которые нам демонстрируют другие методы, а именно формы, размеры и диаметры частиц;

полученные результаты обладают наибольшей точностью;

экспериментальные условия приближенны к реальным, что позволяет дать более точную оценку и прогноз негативного воздействия;

раскрывает несколько важных параметров, как скорость оседания частиц, дальность переноса, рассеивание (позволяют с помощью математики рассчитать вероятность рассеивания, и как следствие нанесение вреда);

простота создания и эксплуатации экспериментальной установки, и максимальное полное извлечение данных с более высокой точностью. Все перечисленные параметры и характеристики пыли можно объединить в одну группу – аэродинамические свойства пыли.

исследованиям дисперсного состава пыли в выбросах строительных производств.

Как уже отмечалось выше, наиболее действительным является изображение результатов анализа пыли в виде графиков интегральных кривых R(dч) или D(dч) (обозначение кривых D и R – это аббревиатура от немецких терминов Durcgang (проход) и Ruckstand (остаток)), где точка на графике показывает относительное содержание частиц с размерами более или менее нужного. Логарифмичeски-нормальный закон записывается как:

lgd Для описания интегральной кривой, был применн метод аппроксимации при помощи уравнения прямой на первом участке и гиперболической функцией на втором. Область значений всех размеров частиц представлена: первый участок кр1, второй участок кр1 < кр (рис. 2а).

Рисунок 2 – а – аппроксимация ИФРМЧД линейной и гиперболической функциями; б – полученная интегральная кривая после аппроксимации.

Задачей оптимального планирования, является нахождение вектора [y0;k] содержащего неизвестные y0 и k на основании зависимости:

Далее определяем величину х0 следуя из минимума отклонения Т, а именно методом последовательных приближений, при котором сплайн функция является лучшим приближением экспериментальных значений.

Последовательно рассчитав параметры k, а1, а2 и а3, подставляем в аппроксимирующие функции и получаем значения величины интегральной функции D(d) (рис. 2б):