Введение
Актуальность темы исследования. Сегодня охрана труда является комплексной социально-технической наукой, которая выявляет и изучает производственные факторы, отрицательно влияющие на работающих, и разрабатывает методы их предотвращения или ослабления. Главными объектами ее исследования являются человек в процессе труда, производственная среда и обстановка, взаимосвязь человека с промышленным оборудованием, технологическими процессами. Задача охраны труда - свести к минимальной вероятность поражения или заболевания рабо-тающих с одновременным обеспечением комфорта при максимальной производительности труда.
Производственные процессы на многих промышленных предприятиях, прежде всего строительной индустрии, несмотря на используемые средства обеспыливания воздуха, характеризуются повышенным пылеобразованием и пылевыделением, что является одним из факторов, отрицательно влияющих на здоровье людей. Под воздействием пыли возникают такие заболевания, как пневмокониозы, экземы, дерматиты, конъюнктивиты. Анализ статистических данных за последние пять лет, по-казал, что более половины среднесписочной численности работающих на предприятиях строительной индустрии имеют неблагоприятные условия труда (по фактору запыленности воздуха рабочей зоны) в среднем по всем предприятиям России -50.2%. Значительный вклад предприятий строительной индустрии в загрязнение воздуха рабочей зоны превышает влияние таких отраслей промышленности, как топливно-энергетического комплекса, машиностроения, в том числе горнодобывающей.
Современное технологическое оборудование предприятий по производству керамических изделий (керамической плитки, технической керамической посуды и т.п.) в процессе работы выделяет в воздух рабочей зоны от нескольких граммов до нескольких килограммов пыли. Согласно исследованиям, проведенным в цехах Ашхабадского, Борского, Гомельского, Ростовского предприятий, выделяющаяся пыль является мелкодисперсной (dso^lO мкм), содержит значительное количество свободного S1O2 и представляет потенциальную опасность развития пневмокониоза у рабо-
тающих. При этом концентрация пыли в воздухе рабочей зоны у источников ее об-разования без применения средств пылеулавливания достигают 80-S-90 мг/м3, что в десятки раз превышает предельно-допустимую концентрацию (ПДКР.3=2 мг/м3). Среди предприятий строительной индустрии, характеризующихся повышенным пы-леобразованием и пылевыделением, можно выделить предприятия по производству керамических изделий. Одним из наиболее распространенных мощных источников выделения пыли в воздух рабочей зоны на этих предприятиях являются конвейерные линии, которые имеют ряд технологических особенностей (большая протяжен-'* ность, периодичность работы и другие). При применении современных технологий обеспыливания воздуха эти особенности препятствуют достижению высоких значений эффективности и экономичности. Одно из ведущих мест в практике удаления пыли из воздуха рабочей зоны рассматриваемых предприятий занимает аэродинамический метод. Наибольшее распространение получило применение аэродинамического метода на стадии улавливания пыли, которое заключается в локализации пыли непосредственно в зоне их выделения и направлении его в заранее выделенную зону. Проведенный анализ применения этого метода обеспыливания воздуха
т
рабочей зоны, показал необходимость дальнейшего его совершенствования, учитывая при этом технологические особенности конвейерных линий. Таким образом, проблема обеспыливания воздуха рабочей зоны и совершенствование средств обеспечения безвредных условий труда на предприятиях стройиндустрии по изготовлению керамических изделий, для которых характерен высокий уровень запыленности, является одной из актуальных задач в области охраны труда.
Целью работы является улучшение условий труда путем снижения концен-#
трации пыли в воздухе рабочей зоны ленточных конвейеров до значений ПДКрз. за
счет повышения эффективности и экономичности реализации процесса аэродинамического улавливания пыли.
Идея работы заключается в использовании физико-энергетического подхода для усовершенствования способа и метода расчета процесса аэродинамического улавливания пыли.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1) Усовершенствовано математическое описание эффективности процесса пылеулавливания, раскрывающее взаимосвязь свойств пыли (дисперсный состав, плотность); характеристик воздуха рабочей зоны (динамическая вязкость, плотность, скорость); конструктивных особенностей линий транспортировки сыпучих материалов (влияет на распределение концентрации пыли) и устройств улавливания (размер всасывающего отверстия, угол его наклона, расстояние по оси ленты конвейера между источником выделения пыли и устройством улавливания, высота расположения над конвейерной лентой).
2) Получена параметрическая зависимость энергоемкостного показателя процесса аэродинамического пылеулавливания на основе выявления взаимосвязи между параметрами, характеризующими:
- энергию адгезионного взаимодействия частиц пыли с пылеобразующим материалом с учетом количества частиц пыли, участвующих в отрыве под действием воздушного потока;
- кинетическую энергию частиц пыли в объеме активной зоны всасывающего факела линейного и точечного стоков;
- адгезионную энергию взаимодействия частиц пыли с учетом площади адгезионного взаимодействия пылевых частиц, числа частиц пыли, участвующих в этом взаимодействии в единице объема активной зоны всасывающего факела;
- энергию, затраченной на реализацию процесса аэродинамического пылеулавливания;
- свойства пыли;
- линейные размеры сечений всасывающих отверстий;
- требуемую из условий обеспечения ПДКР 3. эффективность процесса.
3) Установлены новые зависимости для определения объема активной зоны всасывающего факела, раскрывающие взаимосвязь между его геометрическими параметрами, свойствами частиц пыли и линейными размерами сечений всасывающих отверстий.
Достоверность научных положений и выводов диссертации подтверждается:
- использованием основных положений теории аэродинамики, физических законов и математического аппарата при моделировании изучаемых процессов;
- большим объемом проведенных экспериментов (более 800 опытов), в ходе которых исследовано влияние 4 параметров: скорости и давления воздуха, расстояния по оси ленты конвейера между источником выделения пыли и устройством улавливания, высоты расположения устройства улавливания над источником пылевыделения и 4 типов всасывающих отверстий устройств улавливания (прямоугольного, эллиптического, круглого, в виде ромба) на результирующие характеристики процесса улавливания аэродинамическим методом - эффективность и затраченную энергию;
- удовлетворительной сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований автора в пределах погрешности измерений ±14.47% при определении эффективности и ±9.14% - затраченной энергии при доверительной вероятности 0.95.
Практическая значимость работы состоит в следующем:
1) Разработана методика оптимизации параметров устройств аэродинамического улавливания по требуемой из условий обеспечения ПДКрз. пыли эффективности процесса и максимальному значению его энергетического показателя. На ее основе создан программный комплекс расчета для ЭВМ.
2) На основе математического описания процесса аэродинамического пылеулавливания разработан программный комплекс для расчета оптимальных рабочих параметров процесса пылеулавливания с учетом обеспечения ПДКр.,.
3) Результаты теоретических и экспериментальных исследований внедрены на ряде предприятий: строительной индустрии - ЗАО «Стекольный завод» (производство керамических изделий) г. Ростова-на-Дону; ЗАО «Завод железобетонных конструкций» г. Ростова-на-Дону; горнодобывающей промышленности - ОАО «Ростовгипрошахт»; в научных исследованиях и учебном процессе кафедры «Инженерной защиты окружающей среды» Ростовского государ-
7
ственного строительного университета. На защиту выносятся следующие основные положения:
1) Введение усовершенствованного выражения в математическое описание эффективности процесса аэродинамического пылеулавливания дает возможность учитывать распределение концентрации частиц пыли по всему объему рабочей зоны, дисперсный состав рассматриваемого вида пыли и раскрывает взаимосвязь свойств частиц пыли, параметров, характеризующих воздух рабочей зоны, конструктивные особенности технологического оборудования и устройств улавливания.
2) Полученная параметрическая зависимость энергоемкостного показателя процесса аэродинамического пылеулавливания учитывает эффективность процесса, характеристики производственно-технологических условий и воздуха рабочей зоны, а также энергетические параметры дисперсных систем, участвующих в процессе пылеулавливания.
3) Разработанная методика оптимизации параметров устройств аэродинамического улавливания позволяет выбирать форму и рассчитывать оптимальные размеры всасывающего отверстия устройства улавливания пыли, его угол наклона, расположение относительно источника выделения пыли из условия достижения максимальных значений эффективности и экономичности процесса.
4) Анализ энергетических характеристик процесса аэродинамического пылеулавливания позволяет определить пути его дальнейшего совершенствования на основе параметров, влияющих на эффективность процесса.
Апробация работы. Основные положения работы доложены на: III Международной научно-практической конференции «Экология и здоровье человека», Ростов н/Д, 1997; Международной научно-практической конференции «Экономика природопользования и природоохраны», Пенза, 2001; Международной научно-практической конференции «Производство. Технология. Экология (ПРОТЭК-2001)», Москва, 2001; VI Международной научно-практической конференции «Биосфера и человек: проблемы взаимодействия», Пенза, 2002; Международной научно-
8
технической конференции «Безопасность жизнедеятельности. Охрана труда и окружающей среды»; Ростов н/Д, 2003; Международных семинарах «Промышленная экология», Ростов н/Д, 2000, 2001 и 2003; Международных научно-практических конференциях «Строительство-2001», «Строительство-2002», «Строительство-2003», Ростов н/Д, 2001,2002 и 2003.
Решению отдельных вопросов из числа рассмотренных в диссертационной работе посвящены исследования ведущих ученых В.В Батурина, В.И. Беспалова, Е.И. Богуславского, А.С. Бурчакова, В.П. Воронина, В.П. Журавлева, А.Д. Зимона, И.Г. Ищука, Ф.С. Клебанова, И.И. Конышева, В.В. Кудряшова, В.А., Г.Д. Лившица, И.Н. Логачева, Г.А. Позднякова, Г.М. Позина, В.Н. Посохина, В.И. Саранчука, Н.А. Страховой, И.А. Шепелева и других авторов, внесших значительный вклад в изучение состояния воздуха рабочих зон, его загрязнения, вызываемых им последствий, а также в совершенствование технологии и техники обеспыливания.
Термин «пылеулавливание» появился в научной литературе в 80-х годах. Далее в настоящей работе используется термин «пылеулавливание».
Работа посвящена исследованию процесса аэродинамического пылеулавливания для линий транспортировки сыпучих материалов ленточных конвейеров предприятий стройиндустрии по производству керамических изделий.
Работа выполнена в соответствии с планом НИР Ростовского государственного строительного университета (РГСУ) по госбюджетной теме «Разработка методологических основ создания безопасных и экологически чистых систем защиты населенных мест от воздействия антропогенных факторов», № гос. регистрации 01.99.0006443, на кафедре «Инженерная защита окружающей среды», под руководством доктора технических наук, профессора Беспалова В.И.
Автор выражает искреннюю благодарность:
- сотрудникам кафедры «Инженерной защиты окружающей среды» Ростовского государственного строительного университета за советы и рекомендации, данные в период подготовки диссертации;
- генеральному директору ЗАО «Стекольный завод» (производство керамических изделий) г. Ростова-на-Дону Недельскому В.М.; генеральному директору
9
ОАО «Ростовгипрошахт» г. Ростова-на-Дону Турину В.П.; главному инженеру ЗАО «Завод железобетонных конструкций» г. Ростова-на-Дону Каушанскому М.В. за ценные практические пожелания и помощь в организации внедрения результатов исследований;
- аспиранту Кудинову СВ. за помощь в создании экспериментального стенда, в проведении экспериментов, за ценные советы при разработке программы для ЭВМ.
*
10
1 Аналитические исследования процесса снижения загрязнения воздуха рабочей зоны предприятий строительной индустрии
Анализ состояния воздуха рабочей зоны на предприятиях строительной индустрии, в том числе на предприятиях по производству керамических изделий [1 - 5], топливно-энергетического комплекса [6 - 9], химической промышленности [10], черной и цветной металлургии [11, 12], а также свойств пылевого аэрозоля [1, 13 -18] позволяет сделать вывод о том, что процесс снижения загрязнения воздуха рабочей зоны, заключающийся в поддержании значений параметров качества воздуха рабочей зоны на уровне нормативных, осуществляется после реализации процесса ее загрязнения загрязняющими веществами. Процесс загрязнения воздуха рабочей зоны развивается естественным образом и определяется, прежде всего, свойствами воздуха рабочей зоны и пылевого аэрозоля. В то же время процесс снижения загрязнения воздуха рабочей зоны в основном, организуется принудительно комплексом целенаправленных мероприятий (технологических, организационных, технических и других) [1, 2, 19, 20,24, 25,28 - 38].
Анализ работ [1, 39, 40] позволил заключить, что каждый из рассматриваемых процессов носит вероятностный характер.
Рассмотрим процессы загрязнения и снижения загрязнения воздуха рабочей зоны конвейера предприятий строительной индустрии по производству керамических изделий и построим их физические модели согласно теоретическому подходу, изложенному в [20].
1.1 Анализ физической модели процесса загрязнения воздуха рабочей зоны цеха по производству керамических изделий
Известно [20], что обобщенная физическая модель процесса загрязнения воздуха рабочей зоны предполагает рассмотрение следующих основных этапов загрязнения воздуха рабочей зоны и циклов образования, выделения, распространения, разрушения загрязненных аэрозолей, как зависимых событий. Также эти циклы обуславливают запыленность воздуха рабочей зоны [1, 5, 8,39].
11
Физическая модель в общем виде не отражает особенностей производственных процессов [1, 41] на конкретном предприятии. На основе обобщенной модели нами предложена физическая модель процесса загрязнения воздуха рабочей зоны цеха по производству керамических изделий.
В результате технологической переработки сырья происходит образование исходного пылевого материала. При этом происходит процесс пылеобразования. При транспортировке пылеобразующего материала (шихты) происходит выделение пылевого аэрозоля (керамической пыли), переходящий в процесс распространения пылевого аэрозоля во внутреннем объеме цеха. Остаточный пылевой аэрозоль выделятся через внешний источник выделения загрязняющих веществ, что представляет собой процесс внешнего выделения загрязняющих веществ.
На рисунке 1.1 приведена блок - схема физической модели процесса загрязнения воздуха рабочей зоны цеха по производству керамических изделий.
На основе вероятностного уравнения [20], раскрывающего физическую сущность процессов образования, развития и разрушения пылевого аэрозоля, получено выражение для цеха по производству керамических изделий:
Рз = Робр ' Рвыд\ 'Ppi (1.1)
где Р3 - вероятность процесса загрязнения воздуха рабочей зоны; Робр - вероятность процесса образования загрязняющих веществ в воздухе рабочей зоны; РВЫД1 - вероятность процесса выделения загрязняющих веществ в воздухе рабочей зоны при условии реализации процесса их образования; Ppi -вероятность процесса распространения загрязняющих веществ во внутреннем объеме помещения при условии реализации процесса их выделения.
12
Процесс загрязнения воздуха рабочей зоны
I этап: процесс образования загрязняющих веществ (Р„Ср)
Технологическое оборудование Конвейер №1
Сырьё
Песок кварцевый; мел; ______сода идо.
Пылеобразуюший материал (I) Шихта
II этап: процесс выделения загрязняющих веществ (Р.ыд|) в воздух рабочей зоны
Пылеобразующий материал (II) Шихта
Источник выделения загрязняющих веществ
Линии транспортировки сыпучих материалов (конвейерная лента)
Пылевой аэрозоль (I) Керамическая пыль
III этап: процесс распространения загрязняющих веществ во внутреннем объеме помещения (Рр1)
Пылевой аэрозоль (II)
Керамическая пыль
Сырьё Внешний источник выделения
Песок кварцевый; мел; сода, глинозем и др. загрязняющих веществ
Труба
Помещение
Цех по производству керамических изделий
1
IV этап: процесс внешнего выделения загрязняющих веществ (Рвьш2)
Рисунок 1.1- Блок - схема физической модели процесса загрязнения воздуха рабочей зоны цеха по производству керамических изделий
Исходя из построенной блок - схемы физической модели процесса загрязнения воздуха рабочей зоны цеха по производству керамических изделий, проведем анализ характеристик основных объектов, участвующих в физической модели: технологического оборудования, технологического сырья, загрязняющих веществ (пыль), воздуха рабочей зоны.
13
1.1.1 Характеристики технологического оборудования и технологического сырья
В результате изучения характеристик технологического оборудования цеха по производству керамических изделий выявлено, что наибольший вклад в загрязнение воздуха рабочей зоны вносит конвейер №1, транспортирующий шихту, включающий 6 дозаторов, расположенных последовательно по продольной оси конвейера. С одной стороны конвейер имеет приводной механизм ленты, а с другой - узел перегрузки в течку сушильного барабана.
Технологическое оборудование (конвейер №1), как объект, участвующий в физической модели процесса загрязнения воздуха рабочей зоны, характеризуется следующими основными параметрами:
- тип конвейера - ленточный;
- размер оборудования - bxl, мм;
- тип источника выделения загрязняющих веществ - линейный;
- режим работы - т, ч/год.
При производстве керамических изделий используют смесь сырьевых сыпучих материалов (шихту). Основным сырьевым компонентом является кварцевый песок, вес которого в шихте составляет 60-70%. Кроме песка, в шихту в значительных количествах входят: сода, мел, глинозем и другие материалы (таблица 1.1) [1].
Таблица 1.1 - Шихтовый состав технологического материала, транспортируемого конвейером
№п/п Наименование компонентов Химическая формула
1 Песок кварцевый SiO2
2 Мел СаСОз
3 Сода кальцинированная Na2CO3
4 Глинозем А12О3
5 Барий углекислый ВаСОз
6 Кислота борная НзВОз
7 Циркон ZrO2-SiO2
8 Шпат плавиковый CaF2
В результате исследований [42] установлено, что по химическому составу пы-
леобразующий материал (шихта) является сложным неорганическим.
14
Пылеобразующий материал (шихта), как объект, участвующий в физической модели процесса загрязнения воздуха рабочей зоны, характеризуется основными параметрами:
- свойствами по группам параметров (см. таблицу 1.2);
- экологическими свойствами (см. таблицу 1.3).
Таблица 1.2 - Свойства пылеобразующего материала (шихты) по группам параметров
№ п/п Группа параметров Наименование параметра Обозначение параметра
1 Группа геометрических параметров - размер частиц d
2 Группа физико-химических параметров - плотность материала Рм
- насыпная плотность материала Рн
- число адгезии Падг
3 Группа гидродинамических параметров - растворимость в воде
- краевой угол смачивания ©м
- влажность материала при введении в шихту Фм
4 Группа тепло-физических параметров - температура • tM
Таблица 1.3 - Класс опасности пылеобразующего материала (шихты)
№ п/п Наименование компонентов Класс опасности
1 Песок кварцевый 3
2 Мел 4
3 Сода кальцинированная 3
4 Глинозем 4
5 Барий углекислый 2
6 Кислота борная 3
7 Циркон 4
8 Шпат плавиковый 4
Известно [1], что шихтовым составом определяются свойства пылевого аэрозоля в зоне работы ленточного конвейера.
1.1.2 Параметры свойств загрязняющих веществ
Свойства пылевого аэрозоля (керамической пыли), выделяющегося и распространяющегося в воздухе рабочей зоны, определены в соответствии с методиками [42 - 45] и представлены в таблице 1.4.
15
Таблица 1.4 - Свойства пылевого аэрозоля (керамической пыли) по группам параметров
№п/п Группа параметров Наименование параметра Обозначение параметра
1 2 3 4
Параметры свойств дисперсной фазы (д.ф.) пылевого аэрозоля
1 Группа геометрических параметров (ГПдф.) - средний медианный диаметр пылевых частиц д.ф. d
- длина свободного пробега частиц до их соударения между собой Ir
2 Группа физико-химических параметров (ФХПдф) - плотность частиц д.ф. Рч
- константа коагуляции кк
- динамический угол естественного откоса Ад
- статический угол естественного откоса A cm
- коэффициент диффузии частиц Dr
- число адгезии Падг
- слипаемость Р
- концентрация частиц в дисперсионной среде с
3 Группа гидродинамических параметров (ГДПд.ф.) - поверхностное натяжение
- краевой угол смачивания в
- влажность д.ф. (абсолютная) (Р
4 Группа тепло-физических параметров (ТФПд.ф.) - температура
5 Группа электрических параметров (ЭПд.ф.) - заряд частиц ч
Параметры свойств диспе рсионной среды (д. с.) пылевого аэрозоля
1 Группа геометрических параметров (ГПд.С.) - эквивалентный диаметр облака газового аэрозоля d3Ke
- длина свободного пробега молекул д.с. L
2 Группа физико-химических параметров (ФХПдс) - плотность д.с. Ре
3 Группа гидродинамических параметров (ГДПД.С.) - влажность д.с. (абсолютная или относительная) <Р
4 Группа аэродинамических параметров (АДПД.С) - динамическая вязкость воздуха Ив
5 Группа тепло-физических параметров (ТФПДС.) - температура воздуха и
Многолетние исследования [1, 46] пылевой обстановки в рабочей зоне кон-
16
вейера №1 цеха по производству керамических изделий показали, что концентрация керамической пыли на постоянных рабочих местах (у шкалы весов дозатора) составляет:
- при неработающем технологическом оборудовании (фоновая концентрация):
• у узла перегрузки конвейера №1-29 мг/м3;
• у шкалы весов дозатора конвейера №1-22 мг/м3;
- при работающем технологическом оборудовании:
• у узла перегрузки конвейера №1-97 мг/м3;
• у шкалы весов дозатора конвейера №1 - 81 мг/м3.
Согласно [47] предельно-допустимая концентрация (ПДК) керамической пыли с учетом содержания двуокиси кремния от 10 до 70% составляет 2 мг/м3.
Распределение концентрации пыли в рабочей зоне конвейера № 1 цеха по производству керамических изделий представлено на рисунке АЛ.
Сопоставление данных замеров концентрации пыли (см. рисунок АЛ) с нормативными значениями (ПДКР.3.) позволяет заключить, что пылевая обстановка в воздухе рабочей зоне конвейера №1 цеха не отвечает санитарно-гигиеническим требованиям.
1Л .3 Характеристики воздуха рабочей зоны
Воздух рабочей зоны цеха по производству керамических изделий характеризуется следующими основными значениями, полученными в результате проведенных замеров:
- температурой +(20ч-22) °С;
- влажностью:
• для холодного периода - 67%;
• для теплого периода - 55%;
- скоростью движения воздуха - 0,2 м/с.
Эти параметры для рабочей зоны строго ограничены в соответствии с требованиями [46], поэтому при дальнейших расчетах процесса загрязнения, связанных с
17 |
