Text
                    ОХРАНА
ОКРУЖАЮЩЕЙ
СРЕДЫ
ИЗДАНИЕ ВТОРОЕ,
ИСПРАВЛЕННОЕ
И ДОПОЛНЕННОЕ
Под редакцией С. В Белова
Допущено
Государственным комитетом СССР
по народному образованию в качестве
учебника для студентов технических
высших учебных заведений
Москва «Высшая школа» 1991


ББК 20.1 0-92 УДК 502.3 Рецензенты: кафедра «Охрана труда и окружающей среды» Д нецкого политехнического института (доц Ю Г. Озерский), про Г В Дуганов (Севастопольский приборостроительный институт). Охрана окружающей среды: Учеб. для техн. спец. вузов 0-92С. В. Белов,/ Ф. А. Барбинов/, А. Ф. Козьяков и др. Под ре" С. В. Белова. 2-е изд., испр. и доп. — М.: Высш. шк., 1991.- 319 с: ил. ISBN 5-06-000665-4 В учебнике рассмотрены правовые, организационные, технические и социальна экономические аспекты защиты окружающей среды; основные источники и вил t загрязнений, поступающих от машиностроительных предприятий и транспортно' энергетических установок, принципы нормирования, методы расчета и конструктив- ные схемы средств очистки газовых и жидких выбросов, методы утилизации и пе- реработки промышленных отходов, малоотходные и безотходные процессы, меро^ приятия по защите от шума, инфразвука, вибрации Второе издание A е — учебное пособие, 1983) переработано и дополнено сведениями о защите окружающей среды от электромагнитных и ионизирующих излучений, о комплексной оценке влияния промышленного объекта на окружающую^срвлу и методах контроля ее состояния 1502000000D309000000) —124 ББК 20.1 ° 001@1)—91 73~^1 57@69) ISBN 5-06-000665-4 © Коллектив авторов, 1991
ПРЕДИСЛОВИЕ В современном обществе резко возрастает роль промышленной экологии, призванной на основе оценки степени вреда, приноси- мого природе индустриализацией, разрабатывать и совершенст- вовать инженерно-технические средства защиты окружающей среды, всемерно развивать основы создания замкнутых, безот- ходных и малоотходных технологических циклов и производств. В связи с этим важное место в деле охраны окружающей среды отводится экологическому образованию и воспитанию инженерно- технических специалистов. Учебник написан на основе программы Минвуза СССР (ин- декс УМУ-Т-5/1268) по «Охране окружающей среды» и лекций, читаемых по этому курсу в МГТУ им. Н. Э. Баумана. Основное внимание в учебнике уделено методам и средствам, озволяющим обеспечивать высокие экологические показатели гхнологий, машин и материалов как на стадии промышленной -ссплуатации, так и при проектировании. Приведены методы асчета устройств и систем для очистки газовых и жидких выбро- 1В от загрязнений, получивших широкое применение для про- лшленной и санитарной очистки; кратко рассмотрены устройст- и системы, имеющие ограниченное применение; широко пред- авлены методы защиты от шума, вибраций, инфразвука в 1итебных зонах. Второе издание A-е — учебное пособие, 1983) дополнено териалом по защите от электромагнитных полей и ионизирую- х излучений, по комплексной оценке влияния промышленного Зекта на окружающую среду и контролю за се состоянием и умышленными выбросами, рассмотрены основные положения проведению экологической экспертизы. Введение, § 1—3, 6—15, 17, 37—40 написаны Беловым С. В.; ;дение, § 5, 26, 27, 29 — Барбиновым Ф. А.; § 6, 34—6, 41 — Козь- )вым А. Ф.; § 11, 16, 18—20 —Сивковым В. П.; § 4, 21—25, 28 — влихиным Г. П.; § 6, 29—33, 35 —Терехиным А. С. Авторы выражают искреннюю благодарность рецензентам: у техн. наук, проф. Г. В. Дуганову и канд. техн. наук, доц. Г. Озерскому за полезные замечания и советы. Авторы с благодарностью примут и учтут все критические ечания. Авторы
ВВЕДЕНИЕ Биосфера — это область распространения жизни на Земле, включающая населенную организмами верхнюю часть земной коры, воды рек, озер, водохранилищ, морей, океанов и нижнюю часть атмосферы (тропосферу). Биосфера представляет собой равновесную систему, в которой процессы обмена веществ и энер- гии происходят главным образом за счет жизнедеятельности ор- ганизмов. По мере развития промышленности, энергетики и средств транспорта антропогенное загрязнение биосферы, обусловленное жизнедеятельностью человека, непрерывно нарастало. Если в первой половине XX в. негативное воздействие загрязнений на биосферу во многих регионах мира сглаживалось происходящими в ней естественными процессами, то в последующие годы мас- штабы деятельности человека привели биосферу на грань эколо- 1ического кризиса. Научно-техническая революция, охватившая во второй поло- вине XX в. многие страны мира, принесла людям не только бла- га, она сопровождалась и теневыми явлениями, а именно: загряз- нением атмосферы, морских акваторий и пресных водоемов; на- рушением почвенного покрова и ландшафтов; истощением водных и лесных ресурсов; уменьшением численности животных. Эколо- гический кризис осложняется экспоненциальным ростом народо- населения планеты и его урбанизацией. Атмосфера загрязняется промышленными выбросами, содер- жащими оксиды серы, азота, углерода, углеводороды, частицы пыли. В водоемы и реки попадают нефть и отходы нефтепродук- тов, вещества органического и минерального происхождения; в почвенный покров — шлаки, зола, промышленные отходы, кисло- ты, соединения тяжелых металлов и др. |Множество разработан- ных технологических процессов привело к росту числа токсичных веществ, поступающих в окружающую среду. Выбросы промышленных предприятий (схема 1), энергетиче- ских систем и транспорта в атмосферу, водоемы и недра достиг- ли таких размеров (схема 2), что в ряде районов земного шара уровни загрязнений значительно превышают допустимые санитар- ные нормы. Это приводит, особенно среди городского населения, к увеличению количества людей, заболевающих хроническим бронхитом, астмой, аллергией, ишемией, раком. Неблагоприятное влияние на жизнедеятельность человека
оказывают шум, вибрации, инфразвук, а также воздействия элек- тромагнитных полей и различных излучений (ультрафиолетовых, инфракрасных, световых, ионизирующих). Среда обитания человека — окружающая среда — характери- зуется совокупностью физических, химических и биологических факторов, способных при определенных условиях оказывать пря- мое или косвенное, немедленное или отдаленное воздействие на деятельность и здоровье человека. Вопросами развития окружающей среды занимается эколо- гия— наука о взаимоотношении живых организмов и среды их обитания. Рациональное решение экологических проблем возмож- но лишь при оптимальном взаимодействии природы и общества, обеспечивающем, с одной стороны, дальнейшее развитие общест- ва, с другой — сохранение и поддержание восстановительных сил в природе, что достижимо лишь при проведении широкого комп- лекса практических мероприятий и научных исследований по охране окружающей среды. Схема 1 Взаимодействие промышленного предприятия с окружающей средой [Сырье, материалы, 1 оборудование Топливо, электроэнергия Кислород Вода, Солнечная радиация Промышленное предприятие —- {Продукция Выбросы в атмосферу С ючные воды Твердые отходы Энергетические выбросы Г 1 [ газы, пары Газршол Тепловые Шум, инфразвук, ультра звук, вибрация Электромагнитные ПО1Я Световые, инфракрасные, ультрафиотетовые, лазерные изучения Ионизирующие излучения Небходимость охраны окружающей среды отражена в Основ- ном Законе нашего государства. В Конституции СССР записано, что в интересах настоящего и будущих поколений в СССР прини- маются необходимые меры для охраны и научно обоснованного,
рационального использования земли и ее недр, водных ресурсов, растительного и животного мира, для сохранения в чистоте воз- духа и воды, обеспечения воспроизводства природных богатств и улучшения окружающей человека среды. Охрана окружающей среды основана на системе государст- венных, юридических, общественных, административно-хозяйст- венных, -технических и социально-экономических мероприятий, на- правленных на поддержание благоприятных условий среды обита- ния и рациональное использование материальных и энергетиче- ских ресурсов в интересах всего человечества. Правовые основы охраны окружающей среды в СССР пред- ставляют собой совокупность природоохранных правовых норм, т. е. законов и подзаконных актов. Уже в первые годы Советского государства были заложены Схема 2 Массообмен современного промышленного города, т/сут Вода i , Сточные водь/ 625000 Пища 2000 Топливо: Город с населением 1млн 500000 Твердые отходы 2000 Выбросы В атмос- ферный воздух: частицы Щх СО с„нт 150 150 100 kbO 100 уголь W0 нефть 2800 газ ПОО топливо Зля автотранспорта 4000 основы социалистической системы природопользования. По ини- циативе В. И. Ленина были разработаны 94 природоохранитель- ных документа, в том числе декреты «О земле», «О лесах», «Об охране рыбных и звериных угодий в Северном Ледовитом океане и Белом море» и др. При участии В. И. Ленина началось созда- ние системы советских заповедников. Законодательство в области охраны окружающей среды и ра- ционального использования природных ресурсов весьма интенсив- но развивалось в последние 20 лет. В этот период были приняты законы, регулирующие чрезвычайно широкий круг отношений: Основы земельного законодательства Союза ССР и союзных рес- публик A968), Основы законодательства Союза ССР и союзных республик о здравоохранении A969), Основы водного законода- тельства Союза ССР и союзных республик A970), Основы законо- дательства Союза ССР о недрах A975), Основы лесного законода- тельства Союза ССР и союзных республик A977), Закон СССР
«Об охране и использовании животного мира» A980), Закон СССР «Об охране атмосферного воздуха» A980). Законами СССР о трудовых коллективах и о государственном предприятии предусмотрено активное участие трудовых коллекти- вов в осуществлении мер по охране природы. Предприятие обяза- но обеспечивать эффективное использование и воспроизводство природных ресурсов, охранять окружающую среду от загрязнений и других вредных воздействий, осуществлять организацию произ- водства на базе безотходных технологий. Руководители предпри- ятий и Советы трудовых коллективов обязаны строго соблюдать нормативные требования по охране окружающей среды. Подзаконные правовые нормы (постановления, приказы, ин- струкции и другие нормативные акты) способствуют выполнению основных мероприятий в области охраны окружающей среды, из- ложенных в Конституции и Законах СССР. К таким нормам от- носятся решения Советов народных депутатов, их исполнитель- ных и распорядительных органов, а также стандарты, техниче- ские, строительные, санитарные и т. п. нормы, утверждаемые министерствами и ведомствами. Постановление Верховного Совета СССР «О соблюдении тре- бований законодателсьтва об охране природы и рациональном использовании природных ресурсов» № 2764-XI от 3 июля 1985 г. указывает на необходимость повышения ответственности мини- стерств, комитетов, ведомств, предприятий, организаций, а также отдельных граждан за соблюдение природоохранительного зако- нодательства. В этом постановлении определены неотложные ме- ры по охране природы: введение обязательной экологической экспертизы новой техники, технологии и материалов, проектов на строительство, реконструкция и техническое перевооружение на- роднохозяйственных объектов; разработка долгосрочной Государ- ственной программы охраны окружающей среды и рационального использования природных ресурсов, внедрение малоотходных и безотходных технологических процессов и комплексной перера- ботки природного сырья; разработка автоматизированных систем и приборов контроля за состоянием окружающей среды. Разновидностью правовых норм в области охраны окружаю- щей среды служат различные технические нормы и стандарты, которые имеют силу законов. С 1 января 1977 г. в СССР введен ряд государственных общесоюзных стандартов в области охраны природы. ГОСТ 17.0.0.01—76* (СТ СЭВ 1364—78). Основные по- ложения; ГОСТ 17.1.1.01—77* (СТ СЭВ 3544—82). Гидросфера. Использование и охрана вод. Основные термины и определения; ГОСТ 17.2.1.02—76* (СТ СЭВ 1365—78). Атмосфера. Выбросы вредных веществ автомобилями, тракторами и двигателями. Тер- мины и определения; ГОСТ 17.2.1.01—76* (СТ СЭВ 1366—78). Атмосфера. Классификация выбросов по составу; ГОСТ 17.2.3.01— 86 (СТ СЭВ 1925—79). Атмосфера. Правила контроля качества
воздуха населенных пунктов; ГОСТ 17.0.0.04—90. Экологический паспорт промышленного предприятия. Основные положения и др. К объектам стандартизации относят предельно допустимые концентрации и методы расчета выбросов загрязняющих веществ; требования к устройствам по контролю и защите окружающей среды от загрязнений; нормы и правила рационального использо- вания природных ресурсов и др. Министерством здравоохранения СССР утверждены санитар- ные нормы на предельно допустимые концентрации загрязняющих веществ в атмосферном воздухе населенных мест СН-3086—84, разработаны методы определения загрязняющих веществ в атмо- сферном воздухе населенных пунктов СН-3917—85, установлены значения допустимых уровней шума на территории жилой за- стройки СН-3077—84 и допустимые уровни инфразвука и низко- частотного шума на территории жилой застройки СанПиН 42-128-4948—89 и др. Государственным комитетом СССР по гидрометеорологии и контролю природной среды (Госкомгидромет СССР) разработа- ны: инструкция о согласовании, проведении экспертизы воздухо- охранных мероприятий и выдаче разрешений на выброс загряз- няющих веществ в атмосферу по проектным решениям (ОНД 1 — 84); методика расчета концентраций вредных веществ, содержа- щихся в выбросах предприятий в атмосферу (ОНД—86); методи- ческие указания «Регулирование выбросов при неблагоприятных метеорологических условиях» (РД 52. 04-52—85). Государственное управление в сфере охраны окружающей среды осуществляется в соответствии с принципами плановости, комплексного подхода, учета местных условий, разграничения хозяйственно-организаторских и контрольно-надзорных функций, государственного учета и статистической отчетности. Охрана окружающей среды является общегосударственной за- дачей, поэтому ее проводят все звенья системы Советов народных депутатов, их исполнительных и распорядительных органов. В задачу этих органов входят природоохранное управление и контроль. Наибольшие полномочия имеют Верховный Совет СССР и Верховные Советы союзных республик, их президиумы и комитеты (комиссии). Правительство СССР и правительства союзных республик разрабатывают и обеспечивают практические мероприятия по охране окружающей среды и рациональному использованию при- родных ресурсов. Межведомственный надзор и координацию деятельности осуществляют: Комиссия Президиума Совета Мини- стров СССР по охране окружающей среды и рациональному ис- пользованию природных ресурсов, Госплан СССР, Государствен- ный комитет СССР по науке и технике (ГКНТ СССР), Госком- гидромет СССР, Государственный комитет СССР по охране при- роды (Госкомприрода СССР).
Центральным органом управления в области охраны природы и использования природных ресурсов является созданный в 1988 г. Государственный комитет СССР по охране природы, ко- торый наряду с Советами Министров союзных республик несет всю полноту ответственности за охрану природы, организацию рационального использования и воспроизводства природных ре- сурсов в стране. При Госкомприроде СССР создан общественный Совет из числа ученых, общественных и государственных деяте- лей для глубокого анализа проблем окружающей среды и выра- ботки рекомендаций по их решению. Основные задачи комитета: — государственный контроль за состоянием и использованием природной среды с правом наложения запрета на строительство и эксплуатацию промышленных объектов при грубом нарушении природоохранных норм; — координация деятельности министерств и ведомств, разра- ботка и проведение единой научно-технической политики в обла- сти природопользования; — подготовка и представление в Госплан СССР предложений, а также контроль за выполнением государственных планов по охране среды и рациональному использованию природных ре- сурсов; — утверждение экологических нормативов, правил и стандар- тов; — осуществление государственной экологической экспертизы генеральных схем развития и размещения производительных сил страны, образцов новой техники и технологии, а также проектов на строительство и реконструкцию предприятий; — выдача разрешений на выбросы веществ, захоронение от- ходов, водопользование, потребление атмосферного воздуха, от- вод земель и др.; — планирование и осуществление международного сотрудни- чества по охране природы; — работа по воспитанию населения в духе бережного отно- шения к природе. Выполнение решений Госкомприроды СССР обязательно для всех министерств, ведомств, объединений, предприятий и органи- заций. ГКНТ СССР координирует научно-исследовательские и опыт- но-конструкторские работы по охране окружающей среды и ра- циональному использованию природных ресурсов. При ГКНТ СССР организован (совместно с АН СССР) Межведомственный научно-технический Совет по комплексным проблемам охраны окружающей среды и рациональному использованию природных ресурсов A972). Совет осуществляет: определение основных на- 9
учнотехнических проблем и разработку координационных планов по их решению; научно-методическое руководство работами, про- водимыми министерствами по созданию новых экологически без- опасных технологических процессов, оборудования, видов техники и материалов. Академия наук СССР объединяет усилия научных учреждений, разрабатывающих фундаментальные основы рационального при- родопользования. В ее составе создан научный Совет по проб- лемам биосферы. Государственный комитет СССР по народному образованию координирует и осуществляет экологическое образование, прово- дит научные исследования по актуальным проблемам природо- пользования. Контроль за выполнением природоохранных норм осуществля- ют Госкомприрода СССР, Госкомгидромет СССР и Главное са- нитарно-эпидемиологическое управление Министерства здравоох- ранения СССР. Международное сотрудничество СССР в области охраны окру- жающей среды развивается на основе двусторонних соглашений с США, Францией, Великобританией, Бельгией, Финляндией и другими странами. Эти соглашения предусматривают проведение совместных работ по предотвращению загрязнения воздуха и вод Мирового океана. Большое внимание в соглашениях отводится разработке законодательства, правовых и административных мер, связанных с сохранением и поддержанием качества окружающей среды. Многостороннее сотрудничество по вопросам охраны окружа- ющей среды основано на участии Советского Союза в Программе ООН по окружающей среде (ЮНЕП) и в работе таких между- народных неправительственных организаций, как Совет Экономи- ческой Взаимопомощи (СЭВ), Международный совет научных союзов (МСНС), Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ), Глобальная система мониторинга окружающей среды (ГСМОС), Международный союз охраны природы (МСОП) и др. Международное сотрудничество способствует более быстрому решению глобальных и межрегиональных природоохранных про- блем. Инженерно-технические средства. В «Основных направле- ниях экономического и социального развития СССР на 1986— 1990 гг. и на период до 2000 г.», принятых XXVII съездом КПСС, поставлены задачи неуклонного повышения эффективности инже- нерно-технических мер по охране природы: широкого внедрения малоотходных и безотходных технологий, комбинированных про- изводств, обеспечивающих комплексное использование природных ресурсов, сырья и материалов. Особое внимание уделено вопро- сам совершенствования экологических показателей автомобиль- Ю
яого парка страны, охране водных ресурсов, атмосферного возду- ха, недр, а также разработке средств их защиты. В СССР разработаны и серийно выпускаются аппараты и устройства для очистки воздуха, газовых выбросов и сточных вод от примесей, которые применяют на промышленных предприятиях для улучшения санитарного состояния атмосферы и водоемов. Защита от энергетических выбросов основана на применении за- щитных экранов, глушителей шума, виброизоляции и других устройств. Однако в промышленности нерешенными проблемами пока остаются эффективность очистки технологических и вентиляцион- ных выбросов от газовых, паровых и тонкодисперсных пылевых примесей; на транспорте — очистка отработавших газов двигате- лей внутреннего сгорания от сажи, соединений свинца и др. Современная технология охраны окружающей среды еще не бази- руется на широком применении безотходных и малоотходных производств. До настоящего времени все еще применяется способ снижения концентраций примесей их рассеиванием в атмосфере и гидросфере. Состояние окружающей среды требует от создателей новых технологий и машин пристального внимания к вопросам эколо- гии. Любое техническое решение должно приниматься с учетом не только технологических и экономических требований, но и эколо- гических аспектов. Проектные решения в обязательном порядке должны подвергаться экологической экспертизе, а вновь создава- емые технологические процессы, оборудование и материалы при их внедрении наряду с народнохозяйственным эффектом должны обеспечивать высокий уровень экологической безопасности. Значительную роль в охране природной среды призваны сыг- рать мероприятия, направленные на выполнение постановления ЦК КПСС и Совета Министров СССР № 32 от 7 января 1988 г. «О коренной перестройке дела охраны природы в стране», в кото- ром определены главные задачи природопользования: •— совершенствование системы управления охраной природы и регулирования использования природных ресурсов; •— совершенствование экономического механизма, обеспечи- вающего эффективное природопользование; — широкое внедрение достижений научно-технического прог- ресса; — государственная экологическая экспертиза проектов на строительство (реконструкцию) предприятий и технических средств; — повышение эффективности международного сотрудничества СССР в области охраны природы; — кардинальное улучшение экологического образования и воспитания бережного отношения населения к природе. 11
Контрольные вопросы 1. Какие основные явления в развитии общества привели к обострению проблемы охраны окружающей среды во второй половине XX в "> 2. Какова роль и структура природоохранных органов в СССР? 3. Как учитываются требования нормативных актов по охране окружа- ющей среды при разработке проектов предприятий и технических средств? 4. Назовите формы и направления деятельности СССР в области меж- дународного сотрудничества по вопросам охраны окружающей среды. 5. Какие задачи ставятся перед инженерно-техническими работниками по обеспечению охраны окружающей среды?
ГЛАВА 1 ИСТОЧНИКИ, ВИДЫ И МАСШТАБЫ ЗАГРЯЗНЕНИЙ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ § 1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ЗАГРЯЗНЕНИЙ АТМОСФЕРЫ Атмосфера всегда содержит определенное количество примесей, поступающих от естественных и антропогенных источников. К числу примесей, выделяемых естественными источниками, отно- сят: пыль (растительного, вулканического, космического проис- хождения, возникающая при эрозии почвы, частицы морской соли); туман, дымы и газы от лесных и степных пожаров; газы вулканического происхождения; различные продукты раститель- ного, животного и микробиологического происхождения и др. Естественные источники загрязнений бывают либо распреде- ленными, например выпадение космической пыли, либо кратко- временными стихийными, например лесные и степные пожары, извержения вулканов и т. п. Уровень загрязнения атмосферы естественными источниками является фоновым и мало изменяется с течением времени. Более устойчивые зоны с повышенными концентрациями за- грязнений возникают в местах активной жизнедеятельности чело- века. Антропогенные загрязнения отличаются многообразием видов и многочисленностью источников. Если в начале XX в. в промышленности применялось 19 химических элементов, то в середине века промышленное производство стало использовать около 50 элементов, а в 70-х годах — практически все элементы таблицы Менделеева. Это существенно сказалось на составе про- мышленных выбросов и привело к качественно новому загрязне- нию атмосферы, в частности, аэрозолями тяжелых и редких металлов, синтетическими соединениями, не существующими и не образующимися в природе, радиоактивными, канцерогенными, бактериологическими и другими веществами. Особенно острой проблема загрязнения атмосферы стала во второй половине XX в., т. е. в период научно-технической револю- ции, характеризующийся чрезвычайно высокими темпами роста промышленного производства, выработки и потребления электро- энергии, выпуска и использования в большом количестве транс- Цортных средств (рис. 1). В ССС{* основное загрязнение атмосферы создают ряд отрас- лей промышленности, автотранспорт и теплоэнергетика. Их уча- 13
стие в загрязнении атмосферы распределяется следующим обра- зом, %: черная и цветная металлургия, нефтедобыча и нефтехи- мия, предприятия стройматериалов, химическая промышлен- ность-— 30; автотранспорт-—40; теплоэнергетика — 30. В США загрязнение атмосферы вредными веществами созда- ют, %: транспортные средства — 50; теплоэлектростанции — 20; промышленные предприятия—15; установки для сжигания твер- дых отходов — 5; прочие — 10. Самыми распространенными токсичными веществами, загряз- няющими атмосферу, являются: оксид углерода СО, диоксид серы SO2, оксиды азота N0^, углево- дороды СгеНт и пыль. Основные при- меси атмосферы и их источники при- ведены в табл. 1. Ежегодные выбросы вредных веществ в атмосферу приве- дены в табл. 2. Примерный относительный состав вредных веществ в атмосфере боль- ших промышленных городов, %: СО —■ 45, SOx—18, СМт — 15, пыль—12, N0^—10. Превышения концентраций токсич- ных веществ в загрязненном атмо- сферном воздухе над фоновыми в среднем составляют: по оксиду угле- рода СО 80-М250 и более; по диокси- ду серы SO2 50-f-300; по диоксиду азо- та NO2 до 25; по озону Оз до 7 раз. Кроме СО, SOX, NO*, С„Нт и пы- ______^__ ли в атмосферу выбрасываются идру- 1940 1950 J960 1970 19801995г. гие более токсичные вещества. Так, например, вентиляционные выбросы заводов электронной промышленности содержат пары плавиковой, серной, хромовой и других минеральных кис- лот, органические растворители и т. п. В настоящее время насчитывается бо- лее 500 вредных веществ, загрязняю- щих атмосферу, их количество все увеличивается. § 2. ЗАГРЯЗНЕНИЕ АТМОСФЕРЫ ВЫБРОСАМИ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ Современное машиностроение развивается на базе крупных производственных объединений, включающих заготовительные и кузнечно-прессовые цехи, цехи термической и механической обра- ботки металлов, цехи покрытий и крупное литейное производство. В состав предприятий также входят испытательные станции, ТЭЦ о/ 3500г 3000 2500- 2000 1500 1000 500 100 Рис. 1. Темпы роста выработ- ки электроэнергии B), добы- чи нефти C), угля F), газа A), производства стали E) и автомобилей D) в СССР на- чиная с 1940 г. 14
Таблица 1 Примеси Твердые час- тицы (зола, пыль и др ) SO2 NO* СО Летучие уг- леводороды Полицикличе- ские, аромати- ческие углево- дороды Основные источники естественные Вулканические из- вержения, пылевые бури, лесные пожары и др. Вулканические из- вержения, окисление серы и сульфатов, рассеянных в море Лесные пожары Лесные пожары, выделения океанов, окисление терпенов Лесные пожары, природный метан, природные терпены — антропогенные Сжигание топлива в промышленных и быто- вых установках То же Промышленность, ав- тотранспорт, теплоэлек- тростанции Автотранспорт, про- мышленные энергоуста- новки, черная металлур гия Автотранспорт, дожи- гание отходов, испаре- ние нефтепродуктов Автотранспорт, хими ческие заводы, нефтепе рерабатывающие заводы Среднегодовая концентрация в воздухе, мг/м1 В городах 0,04—0,4 В городах до 1,0 В районах с развитой про- мышленностью до 0,2 В городах от 1 до 50 В районах с развитой про- мышленностью до 3,0 В районах с развитой про- мышленностью до 0,01 Таблица 2 Вещество Твердые частицы СО CnHm NO* so* со2 Выбросы, естественные 3700 5000 2600 770 650 485 000 млн т антропогенные 1000 304 88 53 100 18 300 Доля антропогенных примесей от общих поступлений, % 27 5,7 3,3 6,5 13,3 3,6 и вспомогательные подразделения. В процессе производства ма- шин и оборудования широко используют сварочные работы, меха- ническую обработку металлов, переработку неметаллических ма- териалов, лакокрасочные операции и т. п. Литейные цехи. Наиболее крупными источниками пыле- и га- зовыделения в атмосферу в литейных цехах являются: вагранки, электродуговые и индукционные печи, участки складирования и 15
переработки шихты и формовочных материалов; участки выбивки и очистки литья. При плавке 1 т металла в открытых чугунолитейных вагран- ках выделяется 900—1200 м3 колошникового газа, содержащего оксиды углерода, серы и азота, пары масел, полидисперсную пыль и др. При разбавлении колошникового газа воздухом, под- сасываемым через завалочное окно вагранки, количество отходя- щих газов увеличивается в 1,5—3,5 раза. Параметры и состав газов, отходящих от открытых чугунолитейных вагранок, приве- дены в табл. 3. Таблица 3 Производи тельность вагранки, т/ч 3 5 7 10 15 20 Расход дутья. м'/ч 2 850 4 800 6 700 9 600 14 400 19 200 Расход колошни- ковых га- зов, м3/ч 2 500 4 250 6 250 9 500 13 800 18 500 Темпера- тура ко лошнико вых га зов, °С 160 180 200 250 260 280 Расход отходя щих га зов, м3/ч 7 500 11 500 15 000 21000 30 000 38 000 Выбросы, кг/ч пыль 26 50' 74 100 150 210 СО 190 370 480 680 920 1050 5 8 11 12,5 17 20 NOX 0,15 0,3 0,45 0,8 1,2 1.8 Химический состав ваграночной пыли зависит от состава ме- таллозавалки, топлива, условий работы вагранки и может коле- баться в следующих пределах (мае. доли, %): SiO2 — 204-50; СаО — 2-7-12: А12О3 — 0,5-^6; MgO — 0,5-н4; (FeO + Fe2O3) — —10-f-36; MnO — 0,5^-2,5; С — 30-М5. Дисперсный состав ваграночной пыли: Размер частиц, мкм . . <5 5—10 10—25 25—50 50—75 75—150 >150 Фракционный состав: при горячем дутье, при холодном дутье, 16,6 13,3 2,4 16,0 6,2 13,2 21,8 12,5 26,4 18,4 29,9 10 13,3 Медианный размер пыли при горячем дутье 20 мкм, а при холодном дутье 70 мкм. В закрытых чугунолитейных вагранках производительностью 5—10 т/ч на 1 т выплавленного чугуна выделяется 11—13 кг пыли, 190—200 кг оксида углерода, 0,4 кг диоксида серы, 0,7 кг углеводородов и др. Концентрация пыли в отходящих газах со- ставляет 5—20 г/м3, медианный размер пыли 35 мкм. В табл. 4 приведены выбросы загрязняющих веществ электро- дуговыми печами при выплавке стали. Состав пыли зависит от марки выплавляемой стади. Пример- ный химический состав пыли, мае. доли, %: Fe2O3 — 56,8; Мп2О3 —10,0; АЬОа —5,0; SiO2 —&,9; СаО —6,9; MgO —5,8; 16
Таблица 4 Емкость печи, т 0,5 1,5 5 10 20 50 100 Производи- тельность печи, т/ч 0,33 0,94 2 3 5,9 11,4 21 Выбросы, кг/т пыль 9,9 9,8 9,4 8,8 8,1 6,9 6,6 со 1,4 1,2 1,3 1,4 1,5 1,4 1,5 NOX 0,27 0,26 0,26 0,27 0,29 0,28 0,29 остальное — хлориды, оксиды хрома и фосфора. Средний фракци- онный состав пыли: Размер частиц, мкм 0—2 2—4 4—6 6—8 8—10 >10 Фракционный состав, % • • ■ 52,2 22,5 6,2 7,3 2,5 9,3 При плавке стали в индукционных печах, по сравнению с электродуговыми, выделяется незначительное количество газов и в 5—6 раз меньше пыли, по размеру более крупной. При литье под действием теплоты жидкого металла из фор- мовочных смесей выделяются бензол, фенол, формальдегид, ме- Таблица 5 Вещество Бензол Фенол Фурфурол Метанол Аммиак Цианистый водород Формальдегид Оксид углерода Диоксид углерода Метан Удельные ОФ 1 418 390 — 5,5 .—. —. 8,7 920,0 688,0 204,0 газовыделення для марки мг/(кг смеси ч) БС 40 2 11 702 1,2 34,0 496,0 3260,0 111,0 связующего вещества, УКС — 207 823 ■— 34,2 1921,0 8563,0 82,0 Примечания. 1. 80% газовыделения всех вредных веществ приходится на первые 20 мин после заливки металла в формы. К концу первого часа газо- выделение практически прекращается. 2. Холоднотвердеющая смесь для сталь- ного литья на 100 мае ч. кварцевого песка содержит 2 мае. ч смолы ОФ-1 и катализатор в виде 70%-ного водного раствора бензосульфокислоты F0% от массы смолы ОФ-1); для чугунного литья — 2 мае. ч. смолы БС-40 и ката- лизатор в виде технической ортофосфорной кислоты D0% от массы смолы БС-40); для фасонного чугунного литья — 4 мае. ч. смоли УКС и катализатор в виде раствора хлорного железа B0% от массы УКС). 17
танол и другие токсичные вещества, количество которых зависит от состава формовочных смесей, массы и способа получения от- ливки и ряда других факторов Газовыделения при заливке ме- таллом форм и их охлаждении можно определить по данным, приведенным в табл. 5. От участков выбивки литья на 1 м2 площади решетки выделя- ется до 45—60 кг/ч пыли, 5—6 кг/ч оксида углерода, до 3 кг/ч аммиака. Значительными выделениями пыли сопровождаются процессы очистки и обрубки литья. Работа пескоструйных и дро- беструйных камер, очистных барабанов и столов сопровождается интенсивным выделением пыли с медианным размером 20— 60 мкм. Концентрация пыли в воздухе, отводимом от камер и ба- рабанов, составляет 2—15 мг/м3. Значительное количество пыли и газов выделяется в атмосфе- ру участками литейных цехов по приготовлению, переработке и использованию шихты и формовочных материалов. Так, содержа- ние пыли, на 35—50% состоящей из диоксида кремния, в отво- димом воздухе составляет: Технологический процесс Концентрация, мг/м* Размол материалов шаровые мельницы 6—10 дробилки 5—12 Сушка материалов 5—10 Приготовление смесей. сита 0,8—4,3 смесители (бегуны) 1,7—7,4 грохоты ...» 0,7—1,5 Интенсивность выделения вредных веществ (приведено к формальдегиду) при изготовлении стержней из холоднотвердею- щей смеси зависит от состава связующего вещества (газовыделе- ние отнесено к 1 дм2 площади поверхности стержня): При заполнении При отверждении Связующее ящиков смесью, смеси, мг/(дм2 ч) мг/(кг ч) Фенолоформальдегидные (ОФ-1) ... 9,2 1,46 Карбамидоформальдегидные (УКС) . 215 37,8 Карбамидофурановые (БС-40) ... 41 5,7 На основе синтетических смол УГТС 61 10,3 Кузнечно-прессовые и прокатные цехи. В процессах нагрева и обработки металла в кузнечно-прессовых и прокатных цехах выделяются пыль, кислотный и масляный аэрозоль (туман), оксид углерода, диоксид серы и др. При прокатке пыль образуется главным образом в результате измельчения окалины валками, при этом ~20% пыли имеет размер частиц менее 10 мкм. Выброс пыли из цеха составляет в среднем 200 г на 1 т товарного проката. Если в процессе проката применяется огневая зачистка поверхности заготовки, то выход пыли возрастает до 500—2000 г/т. При этом в процессе сгорания 18
поверхностного слоя металла образуется большое количество мелкодисперсной пыли, состоящей на 75—90% из оксидов железа: Размер частиц, мкм <0,5 0,5—1 > 1 Фракционный состав, % 20—25 60—65 10—20 Для удаления окалины с поверхности горячекатаной полосы применяют травление в серной или соляной кислоте. Суммарное количество воздуха, отсасываемого из агрегата непрерывного травления, составляет 14 000—18 000 м3/ч, а среднее содержание кислоты в удаляемом воздухе достигает 2,5—2,7 г/м3. Если для очистки воздуха от кислот применяют высокоэффективные пен- ные аппараты, то и в этом случае содержание кислот в воздухе после его очистки составляет 0,05 г/м3. При использовании в кузнечно-прессовых цехах для нагрева металла пламенных печей в атмосферу выбрасываются оксиды углерода, серы, азота и другие продукты сгорания. Для опреде- ления валовых выделений вредных веществ от нагревательных печей целесообразно пользоваться удельными показателями по выбросам, приведенным к единице массы (т) или объема (м3 или тыс. м3) сжигаемого топлива (S — содержание серы в исход- ном топливе, %; Ар — зольность топлива, %): Топливо NOX SOj CO cnHm Пыль Мазут, кг/м3 12,4 195 4,8-10~3 0,38 1,2АР Природный газ, кг/тыс м3 . . 6,24 — Следы Следы 2,4-10~3 Общеобменной вентиляцией кузнечно-прессового цеха в атмо- сферу выбрасываются оксиды углерода и азота, диоксид серы. От пролетов с молотами выбросы оксида углерода на 1 т топлива составляют 7 кг/т (газ или мазут), диоксида серы — 5,2 кг/т (мазут); от пролетов с прессами и ковочными машинами — соот- ветственно 3 и 2,2 кг/т. Термические цехи. Вентиляционный воздух, выбрасываемый из термических цехов, обычно загрязнен парами и продуктами горе- ния масла, аммиаком, цианистым водородом и другими вещест- вами, поступающими в систему местной вытяжной вентиляции от ванн и агрегатов для термической обработки. Источниками за- грязнений в термических цехах являются также нагревательные печи, работающие на жидком и газообразном топливе, а также дробеструйные и дробеметные камеры. Концентрация пыли в воздухе, удаляемом из дробеструйных и дробеметных камер, где металл очищается после термической обработки, достигает 2— 7 г/м3. При закалке и отпуске деталей в масляных ваннах в отводи- мом от ванн воздухе содержится до 1 % паров масла от массы металла. При цианировании выделяется до 6 г/ч цианистого во- дорода на один агрегат цианирования. 19
Гальванические цехи. В воздухе, удаляемом из гальванических цехов, вредные вещества находятся в виде пыли, тонкодисперс- ного тумана, паров и газов. Наиболее интенсивно вредные веще- ства выделяются в процессах кислотного и щелочного травления. Массу вредных веществ, выделяющихся при травлении с по- верхности S, м2 зеркала ванны, определяют по формуле m = mS, мг/мин, где in — интенсивность выделения вредных веществ с единицы площади зеркала ванны, мг/(м2-мин). Значения т при- ведены в табл. 6. Таблица 6 Марка стали 20 20 10 12Х18Н10Т 12Х18Ш0Т 08Х15Н24В4ТР 12Х18Н10Т 08Х18Н10Т Травильный раствор состав 15%-ный раст- вор серной кисло- ты без ингибитора 15%-ный раст- вор серной кисло- ты с игибитором 20%-ный раст- вор соляной кис- лоты 10—12%-ный ра- створ азотной кис- лоты 4—5%-ный ра- створ азотной кис- лоты 15,5%-ный ра- створ азотной кис- лоты То же 20—22%-ный ра- створ серной кис- лоты темпера тура, °С 70 70 70—80 60 60 50 50 60 tn мг/(м2-мин) 200 30 26 000 4 300 4 700 118 185 940 Выделяющиеся вещества и их агрегатное состояние Серная кислота, аэрозоль То же Соляная кисло- та, пары Оксиды азота в пересчете на N2O3 (пары) Суммарно NO2 + HNO3 в пе- ресчете на N2O3 (пары) Фтористый водо- род, пары Окси- ды азота в пере- счете на N2O3 (па- ры) Суммарное N2O3+HNO3 в пе- ресчете на N2O3 (пары) Суммарное SO2+H2SO4 в пе- ресчете на H2SO4 (аэрозоль) При нанесении гальванических покрытий (воронение, фосфа- тирование, анодирование и т. п.) образуются различные вредные вещества. Так, при фосфатировании изделий выделяется фтори- стый водород, концентрация которого в отводимом воздухе до- стигает 1,2—15 г/м3. Концентрации НС1, H2SO4, HCN, Cr2O3, NO2, NaOH и др. в удаляемом от гальванических ванн воздухе колеблются в значительных пределах, что требует специальной очистки воздуха перед выбросом в атмосферу. При проведении 20
подготовительных операций в гальванических цехах (механиче- ская очистка и обезжиривание поверхностей) выделяются пыль, пары бензина, керосина, трихлорэтилена, туманы щелочей. Анализ дисперсного состава туманов показал, что размер частиц находится в пределах 5—6 мкм при травлении, 8—10 мкм при хромировании и 5—8 мкм при цианистом цинковании. Цехи механической обработки. Механическая обработка ме- таллов на станках сопровождается выделением пыли, стружки, туманов масел и эмульсий, которые через вентиляционную систе- му выбрасываются из помеще- ний. В табл 7 приведено коли- чество паров воды, туманов ма- 2оо сел и эмульсий, выделяющихся за 1 ч при работе станков в расчете на 1 кВт мощности ус- танавливаемых на станках электродвигателей. Пыль, образующаяся в про- щ цессе абразивной обработки, состоит на 30—40% из мате- риала абразивного круга, на 60—70% из материала обра- батываемого изделия. Количе- ство выделяющейся пыли за- О висит от размеров и твердости обрабатываемого материала, диаметра и окружной скорости круга, а также способа пода- чи изделия (рис. 2). Для круг- лбпглифовальных станков вы- деление пыли составляет: 100 200 300 Ш Рис. 2. Зависимость выделения пыли при абразивной обработке металла от диаметра шлифовального круга и типа станка: 1 — плоскошлифовальный, 2 — бесцентрошли- фовальный; 4 — внутришлифовальный; 3 — зу- бошлифовальный, 5 —заточной; 6 — полиро- вальный с войлочными кругами Таблица 7 Оборудование Металлорежущие станки при масля- ном охлаждении Металлорежущие станки при эмуль- сионном охлаждении Шлифовальные станки при охлажде- нии эмульсией и содовым раствором Шлифовальные станки при охлажде- нии маслом Масса, г пары воды 150 150 — масляный туман 0,2 — — 30 ) туман эмульсола 0,0063 0,165 — Диаметр круга, Выделение шлифовального мм пыли, г/ч . . . 150 117 300 155 350 170 400 180 600 235 750 270 900 310 21
Пыль заточных станков инструментального цеха имеет части- цы неправильной формы следующего дисперсного состава: Размер частиц, мкм <10 10—16 16—25 25—40 40—63 >63 Мае доли, % 0,5 3 14,5 35 37 10 Медианный размер пыли 38 мкм при среднеквадратичном откло- нении 0=1,64; плотность материала частиц пыли 4,23 г/см3. Значительное выделение пыли наблюдается при механической обработке древесины, стеклопластиков, графита и других неме- таллических материалов,./ Так, при обработке текстолита, стекло- ткани, карболита и органического стекла выделения пыли со- ставляют (г/ч на единицу оборудования): Обработка текстолита на станках: токарных 50—80 фрезерных 100—120 зубофрезерных 20—40 Раскрой стеклоткани на ленточном станке 9—20 Обработка карболита на станках. токарных и расточных 40—80 фрезерных 180—280 сверлильных • 36—50 Резание органического стекла дисковыми пилами 800—950 При механической обработке полимерных материалов одно- временно с пылеобразованием могут выделяться пары различных химических веществ и соединений (фенол, формальдегид, стирол и др.), входящих в состав обрабатываемых материалов. Цехи производства неметаллических материалов. В машино- строении широкое применение находят стеклопластики, которые содержат стекловолокнистый наполнитель и связующие смолы (ненасыщенные полиэфирные, фенолоформальдегидные, эпоксид- ные). Выделение вредных паров веществ при формировании и полимеризации для различных смол приведено в табл. 8. При производстве эбонитовых изделий в вентиляционную сис- тему попадают SO2, CO, H2S, пары бензина, толуола, глицерина, пыль. Особенно много вредных выбросов происходит в процессе производства пластмасс, синтетических волокон и т. п. Сварочные цехи. На участках сварки и резки металлов состав и масса выделяющихся вредных веществ зависит от вида и ре- жимов технологического процесса, свойств применяемых свароч- ных и свариваемых материалов. Наибольшие выделения вредных веществ характерны для процесса ручной электродуговой сварки покрытыми электродами. При расходе 1 кг электродов в процес- се ручной дуговой сварки стали образуется до 40 г пыли, 2 г фтористого водорода, 1,5 г оксидов углерода и азота; в процессе сварки чугунов — до 45 г пыли и 1,9 г фтористого водорода. При полуавтоматической и автоматической сварке (в защит- ной среде и без нее) общая масса выделяемых вредных ве- ществ меньше в 1,5—2 раза, а при сварке под флюсом — в 4—6 раз. 22
Таблица 8 Марка смолы НПС-609-21М НПС-609-26с ПН-3 Температура формирова ния и поли мернзации, "С 5—15 20—30 40—50 70 5—15 20—30 40—50 70 5—15 20—30 40—50 70 стирол 25 32 40 47 20 25 32 40 215 260 290 340 Вредные вещества толуол 9 11 14 16 3,6 4,5 5,7 7 . . — малеиноаый ангидрид 0,9 1,1 1,4 1,6 0,07 0,09 0,11 0,14 4,4 5,2 6 7 . г/кг гипернз 0,05 0,07 0,08 0,1 0,07 0,09 0,11 0,14 0,3 0,4 0,5 0,5 ацето- фенон 0,04 0,05 0.0S 0,07 0,05 0,04 0,05 0,06 0,07 0,22 0,25 0,3 Сварочная пыль на 99% состоит из частиц размером от 10~3 до 1 мкм, около 1 % пыли имеет размер частиц 1 —5 мкм, частицы размером более 5 мкм составляют всего десятые доли процента. Химический состав выделяющихся при сварке загрязнений зави- сит в основном от состава сварочных материалов (проволоки, покрытий, флюсов) и в меньшей степени от состава свариваемых металлов. Валовые выделения вредных веществ при сварке (на 1 кг расходуемых сварочных материалов) приведены в табл. 9. Газовая и плазменная резка металлов сопровождается выде- лением пыли и вредных газов. В табл. 10 приведены сведения о валовом выделении вредных веществ при резке металлов в пере- счете на 1 м реза. Пыль представляет собой конденсат окси- дов металлов, размер частиц которого не превышает 2 мкм. Химический состав пыли определяется главным образом маркой разрезаемого материала. При резке обычно выделяются токсич- ные соединения хрома и никеля, марганец, вредные газы — СО, NO*, а при плазменной резке образуется еще и озон. Для приближенной оценки массы (г) токсичных веществ, вхо- дящих в состав пыли и выделяющихся при резке 1 м металла, можно использовать соотношения: Формула* Оксиды алюминия при плазменной резке сплавов алюминия 1,26 Оксиды титана при газовой резке титановых сплавов .... 35 Оксиды железа при газовой резке легированной стали . . . 0,256 Марганец при газовой резке легированной стали 0,25бМп/100 Оксиды хрома при резке высоколегированной стали .... 0,0656Сг/100 *б—толщина разрезаемого листа металла, (%) марганца и хрома в стали. мм; Мп, Сг —содержание 23
ч fctf 3* t- U. t-i Р030Л1 CO ЧНЫЙ о о. Сва X О u б чие про к ТОМ га б б о к х X ш к * aa gi Я м к о ач 3 X К <и <d га га и |о « « рки л К о 1 1 1 иды (Фтор 1 ю о" •Ч4 ю чектродьг УОНИ 13, CD дуговая к го X Руч сталей арк; с о элект- 2 ?■ Р О О о ■** —" СО *—* со о" ю со со <о —Го" АНО-3 ЭА 606/11 s § роволока: С матиче- о f- и га > Пол ■ 1 —■ 1 со о си ] см • I I ] 1 0,04 | о со о" о" 1С ■* о" о" О)" (^ со О © Св-08Г2С Св-Х19Н9 а ста- о. га m о О и 5 сх о т « га »S « о CJ 1 —' СО о" 0,4 Р_ со 1 1 о" f 1 ю со" н роволока: 08ХГН2М С ческая алей в Ь о га S О m роволока: С матиче- о О ^ и > Авт арк: еде Пол в и а, и | 1 of о •*. о" см о 1 | СО о" I—I Ыс QJ К X к а алю- сплавов о. и к га S *: 3 и я г газах Я S- р, я я CN о" 1 to о о о" иды' СО о о" 1 о о о СО S СО (Фтор 0,3 (Фтор со о сГ 1 1 со о о" ° Л юсы: ОСЦ-45 © ческая ли под к га га " ° га || в U о" 1 1 о о" АН-348А S 1 •е- —* t t 1 I 1 1 t 1 1 1 иды' (Фтор 1 1 1 1 1 1 r~- to о—« —Г со роволока: ПП-ДСК- ПП-АН-3 U матиче- о о га Пол м" ка по прово- газовой СО си о х о о о. •S о к о к 3 6 m про: те лектродна] <Т> матиче- о в г 1 I 1 ^^ сГ us. 1 1 1 о» о" <м со 0,2 -02- i: ШЖ-КГ-5 0 ч а меди в среде w P. CQ га п га и д >• о га н ч S О ас га со Si S со СО 24
Участки пайки и лужения. В вентиляционный воздух на уча- стках пайки и лужения выделяются токсичные газы (оксид угле- рода, фтористый водород), аэрозоли (свинец и его соединения) д т. п. Удельные выделения аэрозоля свинца (размер частиц 0,7—7 мкм) при лужении и пайке оловянно-свинцовыми припоя- ми ПОС-40 и ПОС-61 составляют: Пайка электропаяльниками мощностью 20—60 Вт . . 0,02—0,04 мг/100 паек Лужение погружением в припой (отнесено к поверхно- сти ванны) 300—500 мг/(м2-ч) Лужение и пайка волной (отнесено к поверхности вол- ны) 3000—5000 мг/(м2-ч) Таблица 10 Процесс резки и марка металла Газовая резка стали 45Г17ЮЗ Газовая резка сплавов титана Плазменная резка сплава АМГ Плазменная резка стали 09Г2 Толщина разрезаемого металла, мм 5 20 4 30 8 80 14 20 Пыль, г/м 2,5 10,0 5,0 36,0 2,5 6,0 5,0 10,0 Газы, г/м СО 1,4 2,7 1,0 2,7 0,6 1,8 2,0 2,5 NOX 1,1 2,2 0,5 1,5 2,5 8,0 10 14 Массы оксида углерода, выделяющиеся при обжиге 1 г изо- ляции при температуре 800—900сС, следующие, мг: винипласт — 240, полихлорвинил — 180, полиэтилен — 100, фторопласт—100, хлопок—100, шелк — 200, шелк и винипласт—190. При обжиге фторопластовой изоляции выделяется на 1 г изоляции 3 мг фто- ристого водорода. Окрасочные цехи. Токсичные вещества в окрасочных цехах выделяются в процессах обезжиривания поверхностей органиче- скими растворителями перед окраской, при подготовке лакокра- сочных материалов, при их нанесении на поверхность изделий и сушке покрытия. Воздух, удаляемый вентиляционными отсосами от окрасочных камер, напольных решеток, сушильных установок и других устройств, всегда загрязнен парами растворителей, а при окраске распылением, кроме того,— окрасочным аэрозолем. При окраске изделий порошковыми полимерными материалами в вентиляционном воздухе содержится пыль. При обезжиривании изделий перед окраской в вентиляцион- ные выбросы за счет испарения с поверхности зеркала ванны по- 25
ступают пары углеводородов с интенсивностью, г/(м2-мин): бен- зин 67—83, керосин 17-—34, уайт-спирит 83—100. Концентрации вредных веществ в вентиляционных выбросах, удаляемых от мест окраски, зависят от состава и расхода лако- красочных материалов, способа их нанесения на окрашиваемую поверхность, устройства вентиляции, окрасочного оборудования, метода окрашивания. В вентиляционных выбросах окрасочных цехов могут содержаться окрасочный аэрозоль (до 1 г/м3) и пары растворителей (до 10 г/м3). Характеристики вентиляционных выбросов из окрасочных цехов приведены в табл. 11. Таблица 11 Лакокрасочный материал Эмаль МЛ-1-03 Эмаль МЛ-25 Грунт ФЛ-ОЗк Нитроэмаль N° 924 Тип отсоса Камера с боковым отсосом То же Напольная решетка То же Объем отса- сываемого воздуха, м3/ч 5 000 1 700 27 000 33 000 Концентрация, мг/м3 ксилол 400 170 толуол 390 70 Массу паров растворителей, выбрасываемых в атмосферу от окрасочного и сушильного оборудования, можно определить по формуле где Ш\ — расход лакокрасочных материалов в г/ч; k\—доля ра- створителей в лакокрасочных материалах (при покрытии лаком в лакокрасочных машинах k\ равен 0,6 и 0,8 соответственно для металлических и деревянных изделий); k2 — коэффициент, учи- тывающий количество выделяющегося растворителя из лакокра- сочного материала за время окраски и сушки (для камер окра- ски распылением равен 0,3, для сушильных установок—-0,7); k3 — коэффициент, учитывающий поступление паров растворите- лей в рабочую зону (обычно 2—3%), равен 0,975- % — эффектив- ность улавливания паров растворителей в системе очистки венти- ляционных выбросов (для гидрофильтров, равная 0,3—0,35). Массу выбросов аэрозоля от окрасочного оборудования с вентиляционным воздухом в атмосферу определяют по формуле где &4 — доля лакокрасочных материалов, расходуемая на обра- зование окрасочного аэрозоля, зависит от способа распыления краски; къ — коэффициент, учитывающий поступление окрасочно- 26
го аэрозоля в рабочую зону, обычно £б«&з; т\а — эффективность улавливания окрасочного аэрозоля гидрофильтрами, обычно рав- ная 0,92—0,98. Приведем значения kx и &4 Для различных способов окраски металлических изделий. Распыление- kl kt пневматическое 0,4 0,3 безвоздушное 0,22 0,025 гидроэлектростатическое 0,25 0,01 пневмоэлектростатическое 0,2 0,033 электростатическое 0,5 0,01 горячее 0,22 0,24 Электроосаждение 0,1 — Окунание 0,35 — Струйный облив 0,25 — Анализ состава загрязнений, выбрасываемых в атмосферу ма- шиностроительным предприятием, показывает, что кроме основ- ных примесей атмосферы (СО, SO2, NO,, С„Нт, пыль) в выбро- сах содержатся и другие токсичные соединения, которые почти всегда оказывают отрицательное воздействие на окружающую среду. Концентрация вредных веществ в вентиляционных выбро- сах часто невелика, но из-за больших объемов вентиляционного воздуха валовые количества вредных веществ, поступающих в атмосферу, весьма значительны. В течение суток выбросы про- изводятся неравномерно. Из-за небольшой высоты выброса, рас- средоточенности и, как правило, плохой очистки они сильно за- грязняют воздух на территории предприятий. Поскольку ширина санитарно-защитных зон для машиностроительных заводов обыч- но не превышает 100 м даже при наличии в составе завода ли- тейных цехов, то возникают большие трудности в поддержании требуемой чистоты воздуха селитебных зон, примыкающих к предприятию. § 3. ЗАГРЯЗНЕНИЕ АТМОСФЕРЫ ПРИ ИСПЫТАНИИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК Наибольшие загрязнения атмосферного воздуха поступают от энергетических установок, работающих на углеводородном топли- ве (бензин, керосин, дизельное топливо, мазут, уголь, природный газ и др.). Количество загрязнений определяется составом, объ- емом сжигаемого топлива и организацией процесса сгорания. Основными источниками загрязнения атмосферы являются транспортные средства с двигателями внутреннего сгорания (ДВС) и тепловые электрические станции (ТЭС). Доля загряз- нений атмосферы от газотурбинных двигательных установок 27
(ГТДУ) и ракетных двигателей (РД) пока незначительна, по- скольку их применение в городах и крупных промышленных центрах ограничено, В местах активного использования ГТДУ и РД (аэродромы, испытательные станции, стартовые площадки) загрязнения, поступающие в атмосферу от этих источников, сопо- ставимы с загрязнениями от ДВС и ТЭС, обслуживающих эти объекты. Основные компоненты, выбрасываемые в атмосферу при сжи- гании различных видов топлива в энергоустановках,— нетоксич- ные диоксид углерода СО2 и водяной пар Н2О. Однако кроме них в атмосферу выбрасываются и вредные вещества, такие, как оксид углерода, оксиды серы, азота, соединения свинца, сажа, углеводороды, в том числе канцерогенный бенз(а)пирен С20Н12, несгоревшие частицы твердого топлива и т. п. При сжигании твердого топлива в котлах ТЭС образуется большое количество золы, диоксида серы, оксидов азота. Так, например, подмосковные угли имеют в своем составе 2,5—6,0% серы и до 30—50% золы. Дымовые газы, образующиеся при сжигании мазута, содержат оксиды азота, соединения ванадия и натрия, газообразные и твердые продукты неполного сгорания. Перевод установок на жидкое топливо существенно уменьшает золообразование, но практически не влияет на выбросы SO2, так как мазуты, применяемые в качестве топлива, содержат два и более процентов серы. При сжигании природного (неочищенного) газа в дымовых выбросах также содержатся оксид серы и оксиды азота. Следует отметить, что наибольшее количество оксидов азота образуется при сжигании жидкого топлива. Современная ТЭС мощностью 2,4 млн. кВт расходует до 20 тыс. т угля в сутки и выбрасывает в атмосферу. 680 т SO2 и SO3 при содержании серы в топливе 1,7%; 200 т оксидов азота; 120—240 т твердых частиц (зола, пыль, сажа) при эффективности системы пылеулавливания 94—98%. Исследования показывают, что вблизи мощной электростанции, выбрасывающей в сутки 280—360 т SO2, максимальные концентрации ее с подветренной стороны на расстоянии 200—500, 500—1000 и 1000—2000 м со- ставляют соответственно 0,3—4,9, 0,7—5,5 и 0,22—2,8 мг/м3. Автотранспорт также является источником загрязнения атмо- сферы, количество автомашин непрерывно возрастает (рис. 3), особенно в крупных городах; а вместе с этим растет валовой выброс вредных продуктов в атмосферу. Автотранспорт в отли- чие от промышленных предприятий относится к движущимся источникам загрязнения, широко встречающимся в жилых райо- нах и местах отдыха. Токсическими выбросами ДВС являются отработавшие и кар- терные газы, пары топлива из карбюратора и топливного бака. Основная доля токсических примесей поступает в атмосферу с 28
отработавшими газами ДВС. С картерными газами и парами топлива в атмосферу поступает ~45% С^НОТ от их общего вы- броса. Исследования состава отработавших газов ДВС показывают, что в них содержится несколько десятков компонентов, основные из которых приведены в табл. 12. Диоксид серы об- Млн ииа разуется в отработавших га- зах в том случае, когда се- ра содержится в исходном топливе (дизельное топли- во). Анализ данных, приве- денных в табл. 12, показы- вает, что наибольшей ток- сичностью обладает выхлоп карбюраторных ДВС за счет большего выброса СО, NOx, С„Нт и др. Дизельные ДВС выбрасывают в боль- ших количествах сажу, ко- торая в чистом виде неток- сична. Однако частицы са- жи, обладая высокой ад- сорбционной способностью, несут на своей поверхности частицы токсичных веществ, в том числе и канцерогенных. Сажа может длительное время на- ходиться во взвешенном состоянии в воздухе, увеличивая тем са- мым время воздействия токсических веществ на человека. Таблица 12 100 Грузовые 1960 1910 1980 1990 2000 г Рис. 3. Численность мирового парка авто- мобилей Компоненты N2 о2 Н2О (пары) со2 Н2 СО NOX (в пересчете на N2O5) СпН-л Альдегиды Сажа Бенз(а)пирен Содержание компонента, об доли, % карбюраторные ДВС 74-77 0,3—8 3,0—5,5 5,0—12,0 0—5,0 0,5—12,0 До 0,8 0,2—3,0 До 0,2 мг/л 0—0,04 г/м3 10—20 мкг/м3 дизельные ДВС 76—78 2-18 0,5—4,0 1,0—10,0 — 0,01—0,50 0,0002—0,5 0,009—0,5 0,001—0,09 мг/л 0,01—1,1 г/м3 до 10 мкг/м3 1 [ J Примечание Нетоксичен Токсичен 29
Состав отработавших газов ДВС зависит от режима работы двигателя. У двигателя, работающего на бензине, при неустано- вившихся режимах (разгон, торможение) нарушаются процессы смесеобразования, что способствует повышенному выделению токсичных продуктов. На рис. 4, а приведена зависимость состава С0,С02,% СО; 7 1А 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 ¥ Д5 0,6 DJ 0J3 0,9 1,0 1,1 U<X а 3,40 1,70 1,Щ 0,85 ОС В Рис. 4. Зависимость состава отработавших газов ДВС на бен- зине (а) и дизельном топливе (б) от коэффициента избытка воз- духа отработавших газов ДВС от коэффициента избытка воздуха. Переобогащение горючей смеси до коэффициента избытка возду- ха а=0,6—0,95 на режиме разгона ведет к увеличению выброса несгоревшего топлива и продуктов его неполного сгорания. В дизельных двигателях с уменьшением нагрузки состав го- рючей смеси обедняется, поэтому содержание токсичных компо- нентов в отработавших газах при малой нагрузке уменьшается (рис. 4, б). Содержание СО и С„Нт возрастает при работе на режиме максимальной нагрузки. Количество вредных веществ, поступающих в атмосферу в составе отработавших газов, зависит от общего технического со- стояния автомобилей и особенно от двигателя — источника на- ибольшего загрязнения. Так, при нарушении регулировки карбю- ратора выбросы СО увеличиваются в 4—5 раз. Применение этилированного бензина, имеющего в своем со- ставе соединения свинца, вызывает загрязнение атмосферного воздуха весьма токсичными соединениями свинца. Около 70% свинца, добавленного к бензину с этиловой жидкостью, попадает в виде соединений в атмосферу с отработавшими газами, из них 30% оседает на земле сразу за срезом выпускной трубы автомо- биля, 40% остается в атмосфере. Один грузовой автомобиль средней грузоподъемности выделяет 2,5—3 кг свинца в год. Кон- 30
свинца в воздухе зависит от содержания свинца в центрация бензине: Содержание свинца в бензине, г/л 0,15 0,20 Концентрация свинца в воздухе мкг/м3 .... 0,40 0,50 0,25 0,55 0,50 1,00 Исключить поступление высокотоксичных соединений свинца в атмосферу можно заменой этилированного бензина на неэтилиро- ванный, что используют в крупных городах СССР и ряде стран Западной Европы (ФРГ, Швеция и др.). Валовые выбросы вредных веществ автомобильным транспор- том СССР составляют, млн. т/год: Автомобили: грузовые . . легковые . , автобусы . 1960 г 9,05 0,82 0,65 10,52 1970 г. 18,99 1,3 2,1 22,39 1980 г 30,63 4,23 4,16 39,02 Оксид углерода 96,3 88,1 99 97 Оксиды азота 32,6 31,7 33 31 Углеводороды 64,4 79 95 63 Всего: Мировым парком автомобилей с ДВС ежегодно в атмосферу выбрасывается, млн. т: оксида углерода — 260; летучих углево- дородов— 40; оксидов азота — 20. Доля участия автомобильного транспорта в загрязнении ат- мосферного воздуха крупных городов мира составляет, %: Москва Ленинград Токио Нью-Йорк В некоторых городах концентрация СО в течение коротких периодов достигает 200 мг/м3 и более, при нормативных значе- ниях максимально разовых концентраций 40 мг/м3 (США) и 5 мг/м3 (СССР). Выхлопные газы ГТДУ содержат такие токсичные компонен- ты, как СО, NO*, углеводороды, сажу, альдегиды и др. Исследования состава продуктов сгорания двигателей, уста- новленных на самолетах «Боинг-747», показали, что содержание токсичных составляющих в продуктах сгорания существенно за- висит от режима работы двигателя (табл. 13). Таблица 13 Число оборотов двигателя 0,56 л*„ом 0,83 я„ом 0,90 л„о„ СО 87,9 2,3 Содержание, г/кг топлива NOX 0,7 1,5 4,4 с„нт 9,8 0,3 — номинальное число оборотов двигателя. 31
Как следует из табл. 13, высокие концентрации СО и С„Нт характерны для ГТДУ на пониженных режимах (холостой ход, руление, приближение к аэропорту, заход на посадку), тогда как содержание оксидов азота NO* (NO, NCb, N2Os) существенно возрастает при работе на режимах, близких к номинальному (взлет, набор высоты, полетный режим). Суммарный выброс токсичных веществ в атмосферу самолета- ми с ГТДУ непрерывно растет, что обусловлено повышением расходов топлива до 20—30 т/ч и неуклонным ростом числа экс- плуатируемых самолетов (данные США). 1975 г. 1985 г. 1990 г. Самолеты, шт 5629 6028 6721 Суммарное топливо, млн. т в год 45,5 97 142 Выбросы N0*, млн. т в год . . 0,287 0,548 0,832 Выброс оксидов азота зависит от вида и сорта сжигаемого горючего, качества и способа его подачи, состава топлива в каме- ре сгорания и т. д., а также от тонкости распыления горючего форсуночным устройством и от суммарного коэффициента из- бытка воздуха а на выходе из камеры сгорания. Уменьшение диаметра капель и рост а сопровождается снижением содержа- ния оксидов азота в единице массы выхлопных газов. Наибольшее влияние на условия обитания выбросы ГТДУ оказывают в аэропортах и зонах, примыкающих к испытательным станциям. Сравнительные данные по выбросам вредных веществ в аэропортах показывают, что поступления от ГТДУ в призем- ный слой атмосферы составляют, %: оксиды углерода — 55, окси- ды азота — 77, углеводороды — 93 и аэрозоль-—97. Остальные выбросы выделяют наземные транспортные средства с ДВС. Загрязнение воздушной среды транспортом с ракетными дви- гательными установками происходит главным образом при их работе перед стартом, при взлете и посадке, при наземных испы- ниях в процессе их производства или после ремонта; при хра- нении и транспортировке топлива, а также при заправке топли- вом летательных аппаратов. Работа жидкостного ракетного дви- гателя сопровождается выбросами продуктов полного и неполного сгорания топлива, состоящих из О, NOj;, ОН и др. Состав про- дуктов сгорания при работе таких двигателей определяется коэф- фициентом соотношения компонентов топлива, температурой сго- рания, процессами диссоциации и рекомбинации молекул. Коли- чество продуктов сгорания зависит от мощности (тяги) двига- тельных установок. При сгорании твердого топлива из камеры сгорания выбра- сываются Н2О, СО2, НС1, СО, NO, C1, а также твердые частицы А12Оз со средним размером 0,1 мкм (иногда до 10 мкм). В двигателях космического корабля «Шаттл» сжигается как 32
жидкое, так и твердое топливо. Продукты сгорания топлива по мере удаления корабля от Земли проникают в различные слои атмосферы (табл. 14), но большей частью в тропосферу. В условиях запуска у пусковой системы образуется облако продуктов сгорания, водяного пара от системы шумоглушения, песка и пыли. Объем продуктов сгорания можно определить по времени (обычно 20 с) работы установки на стартовой площадке Таблица 14 Атмосферный слой Приземный по граничный слой Тропосфера Стратосфера Нижняя мезо- сфера Мезосфера-тер- мосфера Высота км 0—0,5 0,5—13 13—50 50—67 67 НС1 24 666 78517 59 732 0 0 С1 2741 9657 11 727 0 0 Продукты NO 1697 4618 293 0 0 со 131 839 2189 0 0 сгорания СО2 55 075 172 570 147 684 0 0 , кг Н2О (пар) 46 674 152 677 146 393 15 542 119 045 АЬО, 39 284 26 385 110 304 0 0 и в приземном слое. После запуска высокотемпературное облако поднимается на высоту до 3 км и перемещается под действием ветра на расстояние 30—60 км, оно может рассеяться, но может стать и причиной кислотных дождей. При старте и возвращении на Землю ракетные двигатели не- благоприятно воздействуют не только на приземный слой атмо- сферы, но и на космическое пространство, разрушая озоновый слой Земли. Масштабы разрушения озонового слоя определяются числом запусков ракетных систем и интенсивностью полетов сверхзвуковых самолетов. За последние 30 лет в СССР произве- дено свыше 1300 запусков ракет-носителей. По прогнозам фирмы Aerospace в XXI в. для транспортировки грузов на орбиту будет осуществляться до 10 запусков ракет в сутки, при этом выброс продуктов сгорания каждой ракеты будет превышать 1,5 т/с. В связи с развитием авиации и ракетной техники, а также интенсивным использованием авиационных и ракетных двигате- лей в других отраслях народного хозяйства существенно возрос их общий выброс вредных примесей в атмосферу. Однако на Долю этих двигателей приходится пока не более 5% токсичных веществ, поступающих в атмосферу от транспортных средств всех типов. Согласно ГОСТ 17.2.1.01—76 выбросы в атмосферу класси- фицируют: 1) по агрегатному состоянию вредных веществ в вы- бросах, это — газообразные и парообразные (SO2, CO, NO*, Углеводороды и др.); жидкие (кислоты, щелочи, органические соединения, растворы солей и жидких металлов); твердые (сви- 2-521 33
нец и его соединения, органическая и неорганическая пыль, сажа, смолистые вещества и др ); 2) по массовому выбросу, выделяя шесть групп, т/сут: 1 — менее 0,01 вкл.; 2 — св. 0,01 до 0,1 вкл.; 3 — св. 0,1 до 1,0 вкл.; 4 — св. 1,0 до 10 вкл.; 5 — св. 10 до 100 вкл.; 6 — св. 100. В зависимости от размера частиц (мкм) жидкие выбросы де- лят на подгруппы: супертонкий туман — до 0,5 вкл.; тонкодис- персный туман — св. 0,5 до 3; грубодисперсный туман — св. 3 до 10 и брызги — св. 10. Твердые выбросы (мкм) делят на 4 под- группы 1 —до 1 вкл.; 2 — св. 1 до 10 вкл.; 3 — сб. 10 до 50 вкл.; 4 — св. 50. § 4. ИСТОЧНИКИ ЗАГРЯЗНЕНИЙ И СОСТАВ ПРИМЕСЕЙ СТОЧНЫХ ВОД МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ На территории промышленных предприятий образуются сточ- ные воды трех видов, бытовые, поверхностные и производствен- ные. Бытовые сточные воды предприятий образуются при эксплуа- тации на его территории душевых, туалетов, прачечных и столо- вых. Предприятие не отвечает за качество данных сточных вод и направляет их на городские (районные) станции очистки. Поверхностные сточные воды образуются в результате смы- вания дождевой, талой и поливочной водой примесей, скаплива- ющихся на территории, крышах и стенах производственных зда- ний. Основными примесями этих вод являются твердые частицы (песок, камень, стружки и опилки, пыль, сажа, остатки растений, деревьев и т. п.); нефтепродукты (масла, бензин и керосин), используемые в двигателях транспортных средств, а также орга- нические и минеральные удобрения, используемые в заводских скверах и цветниках. Каждое предприятие отвечает за загрязне- ние водоемов, поэтому необходимо знать объем сточных вод дан- ного типа. Расход поверхностных сточных вод рассчитывают в соответ- ствии со СНиП П2.04.03—85 «Нормы проектирования. Канализа- ция. Наружные сети и сооружения» по методу предельной интен- сивности. Для каждого сечения водостока расчетный расход опре- деляют по формуле Qs = 4.Fpp, где А — параметр, характеризующий интенсивность осадков в зависимости от климатических особен- ностей местности, в которой расположено предприятие; Fp= = /гт|а — расчетная площадь стока, F — площадь территории пред- приятия; г) — коэффициент, зависящий от площади; а — коэффи- циент стока, определяемый в зависимости от проницаемости по- верхности; р — коэффициент замедления стока, учитывающий особенности процессов сбора поверхностных сточных вод и дви- жения их в лотках и коллекторах. Рекомендуемые значения т] и а, а также формулы для определения Лир см. [36]. 34
к Безвоз- вратные Среднегодовой объем сточных вод на единицу продукции, м3 Среднегодовой расход воды на единицу продукции, м3 потери воды на единицу продук- я я фильт- рацион ные нз шла- монако пителей не тре бующие очистки очищен- ные свежая из ис- точника питье- вая техни- ческая оборот ная, по следова тельно использу- емая Система во- доснабжения Вид про- дукции, г Вид машиностроительного предприятия 00 Tj* 1Г5 СП СО — со ~ о —i о О О О т-1 т? -ф CD ~ h— »—* ^~t О to CM со oo о io _:- ■чр —< О О О —« CN Ю СО по 200 700 150 0,02 Оборот- ная > > Прямая и оборотная Обрабо- танное ли- тье Масса станков То же Инстру- мент Изделия Литейные заводы Заводы тяжелого стан- костроения Заводы прецизионного станкостроения Заводы по производст- ву режущих инструмен- тов Заводы по выпуску насосов 35
Производственные сточные воды образуются в результате использования воды в технологических процессах. Их количество, состав и концентрацию примесей определяют типом предприятия, его мощностью, видами используемых технологических процессов. Для обеспечения промышленных предприятий в СССР еже- годно забирается из естественных источников водоснабжения 100 млрд. м3 воды, при этом 90% этого количества возвращается обратно в водоемы с различной степенью загрязнения. Около 10% общего водопотребления промышленности приходится на машиностроительные предприятия, где воду используют на. охлаждение (подогрев) исходных материалов и продукции, дета- лей и узлов технологического оборудования; приготовление раз- личных технологических растворов; промывку, обогащение и очистку исходных материалов или продукции; хозяйственно-бы- товое обслуживание. На основе анализа систем водоснабжения определяют объем воды, потребляемой и сбрасываемой машиностроительными пред- приятиями. Эти нормы (табл. 15) используют при проектировании и реконструкции предприятий. Металлургические цехи Воду используют в основном для ох- лаждения печей. Основным видом примесей образующихся сточ- ных вод являются взвешенные вещества и масла. Литейные цехи- Вода используется на операциях гидравличес- кой выбивки стержней, транспортировки и промывки формовоч- ной земли в отделениях регенерации, а также на гидротранспорт отходов горелой земли и систему обеспечивающей вентиляции. Образующиеся при выполнении этих операций сточные воды за- грязняются глиной, песком, зольными остатками от выгоревшей части стержневой смеси и связующими добавками формовочной смеси. Концентрация этих веществ зависит от применяемого обо- рудования, исходных формовочных материалов и может достигать значений 5 кг/м3. В качестве примера приводим массовый и фракционный со- ставы загрязнений сточных вод литейного цеха Новосибирского завода «Тяжстанкогидропресс» (плотность взвеси в указанной сточной воде 2400 кг/м3): SiO2 Fe2O3 А12О3 CaO MgO Летучие вещества Mac доля, % . . Диаметр частиц, мкм . . . Фракционный со- став, % ... 80,6 >250 250—102 1 12,8 1,99 1024-40 20,6 2,44 404-25 254-10 20 30,1 6,9 104-4 44-2,5 5,1 5,5 0,8 2,54-1,6 1,9 7,27 1,64-1 <1 1,7 1,' Кузнечно-прессовые и прокатные цехи. Основными примесями сточных вод, используемых для охлаждения технологического оборудования, поковок, гидросбива металлической окалины и об- 36
работки помещения, являются частицы пыли, окалины и масла. Например, при прокатке металлов на крупносортных, средне- и мелкосортных прокатных станах образуется соответственно до 2, 3 и 4% окалины от массы прокатываемого металла; при этом масса частиц размером более 1 мм составляет ~90% всей мас- сы окалины. Механические цехи. Вода используется для приготовления сма- зочноохлаждающих жидкостей, промывки окрашиваемых изде- лий, для гидравлических испытаний и обработки помещения. Основными примесями сточных вод являются пыль, металличе- ские и абразивные частицы, сода, масла, растворители, мыла, краски. В табл. 16 представлены характеристики шлама, выде- ленного из отстойника сточных вод шлифовального участка. Таблица 16 Характеристика шлама Плотность, кг/м3 Средний диаметр частиц, мм металлических абразивных Содержание частиц в шламе, %' металлических абразивных Количество шлама от одного стан- ка, кг/ч Вид шлифования черновое 4075 0,8 0,5 95,5 4,5 1,4 получер- новое 3700 0,65 0,4 92,5 7,5 1 чистовое 3150 0,5 0,32 90,5 9,5 0,6 Термические участки. Для приготовления технологических растворов, используемых при закалке, отпуске и отжиге деталей; а также для промывки деталей и ванн после сброса отработанных растворов и для обработки помещения используют воду. Основ- ные примеси сточных вод — пыль минерального происхождения, металлическая окалина, тяжелые металлы, цианиды, масла и ще- лочи. Травильные и гальванические участки. Вода используется для приготовления технологических растворов, применяемых при травлении материалов и деталей и нанесения на них покрытий; а также для промывки деталей и ванн после сброса отработан- ных растворов и обработки помещения. Основные примеси сточ- ных вод — пыль, металлическая окалина, эмульсии, щелочи и Кислоты, тяжелые металлы и циан. Типовой состав примесей сточных вод для указанных цехов и участков представлен в табл. 17. Следует отметить, что в сва- рочных, монтажных, сборочных, испытательных цехах машино- 37
Таблица 17 Тип цехов и участков Металлур- гические Литейные Кузнечно- прессовые Механические Термические Травильные Виды сточ- ных вод От охлажде- ия печей От влажной азоочистки От грануля- оров стержне- ых смесей От гидровы- ивки литья и егенерации зе- мель От охлажде ния поковок и оборудования Отработан- ные смазочно- охлаждающие жидкости Из гидрока мер окрасоч ных отделений Из отделении гидравлических испытаний Промывные растворы Из закалоч ных ванн Промывные воды Основные примеси Взвешенные ве- щества Масла Мелкодисперс- ая минеральная ыль Песок, частицы шлака Песок, окалина, лина Органические ве- щества Взвешенные ве- щества минераль- ного происхожде- ия Окалина Масла Взвешенные ве щества Сода Масла Органические ра створители Масла, краска Взвешенные ве щества Масла Окалина Щелочи Масла Взвешенные ве щества минераль ного происхожде ния Тяжелые метал лы Масла Цианиды Механические Маслоэмульсии Щелочи Кислоты Концентрация примесей, кг/м3 0,01-0,05 0,01 2-4 20.. 40 0,5-15 0,05 0,1-0,2 5-8 10...15 0,2-1 5...10 0,5-2 0,1-0,2 0,1-0,3 0,1..0,2 0,03 .0,05 0,02-0,03 0,02-0,03 0,01...0,02 0,05-0,25 0,03-0,15 0,001-0,01 0,002-0,05 0,4 0,05-0,1 0,02-0,2 0,02-0,25 Температу- ра, °С 40-45 65 50 15-30 30 ..40 15-20 15-25 15.. 20 50-60 30-40 1С ОС 10. ,.£О 38
Продолжение табл. 17 Тип цехов и участков Гальваниче- ские Виды сточ- ных вод Отработан- ные растворы Промывные воды Отработан- ные электроли- ты Основные примеси Механические Маслоэмульсии Щелочи Кислоты Хром Циан Тяжелые метал- лы Кислоты Щелочи Масла Хром Циан Концентрация примесей, кг/м3 10 20 10 20 .30 30.50 0,005 .0,2 0,005 0,15 0..10 0,04 .20 0.02...30 0,02. 0,05 5 200 10..100 Температу- ра, "С 15 25 20 .30 20 ..25 строительных предприятии сточные воды содержат механические примеси, маслопродукты, кислоты и т. п. в значительно меньших концентрациях, чем в рассмотренных видах цехов и участков. § 5. ЗАГРЯЗНЕНИЕ ПОЧВЫ ОТХОДАМИ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ Твердые отходы машиностроительного производства содержат амортизационный лом (модернизация оборудования, оснастки, инструмента), стружки и опилки металлов, древесины, пластмасс и т. п., шлаки, золы, шламы, осадки и пыли (отходы систем очи- стки воздуха и др.). Количество амортизационного лома зависит от намеченного списания в лом изношенного оборудования и имущества, а также от замены отдельных деталей в планово-предупредительном ре- монте. На машиностроительных предприятиях 55% амортизаци- онного лома образуется от замены технологической оснастки и инструмента. Безвозвратные потери металла вследствие истира- ния и коррозии составляют ~25% от общего количества аморти- зационного лома. Размеры отходов металла в производстве зависят от количе- ства металла и сплавов, подлежащих переработке, и установлен- ного коэффициента отходов. В основном машиностроительные предприятия образуют отходы от производства проката (концы, обрезки, обдирочная стружка, опилки, окалины и др.); производ- ства литья (литники, сплески, шлаки и съемы, сор и др.); меха- нической обработки (высечки, обрезки, стружки, опилки и др.). На предприятиях машиностроения отходы составляют 260 кг на одну тонну металла, иногда эти отходы составляют 50% массы 39
обрабатываемых заготовок (при листовой штамповке потери металла достигают 60%). Основными источниками образования отходов легированных сталей являются металлообработка (84%) и амортизационный лом A6%). В машиностроении на 1 млн. т потребляемых черных метал- лов безвозвратные потери металла, исчисляемые в тыс. т, состав- ляют 5,4 — при обдирке, шлифовке, распиловке и других видах обработки, 2,1—ковке, горячей штамповке и термической обра- ботке (потери от окалины); 14 — травление металла; 15,2 — за счет неполного сбора отходов. Окончательными отходами считают такие, переработка которых нерентабельна из-за незначительного содержания в них металлов. Отнесение к нерентабельным и пе- ревод их в отвальные шлаки и окончательные отходы решается руководством министерства или ведомства. Шламы из отстойников очистных сооружений и прокатных цехов содержат большое количество твердых материалов, кон- Таблица 18 Вещества Газы (С02, СО, SO2, NO,, H2S) Тяжелые металлы и их соединения (Hg, Pb, Cd и др.) Циклические углеводоро- ды, 6енз(а)пирен Радиоактивные вещества Нитраты, нитриты, фос- фаты Пестициды Источники загрязнения почвы промыш- ленность транспорт 111+ + + ТЭС, АЭС 1 сельское хозяйство центрация которых составляет от 20 до 300 г/л. После обезвре- живания и сушки шламы используют в качестве добавки к агло- мерационной шихте или удаляют в отвалы. Шламы термических, литейных и других цехов содержат токсичные соединения свинца, хрома, меди, цинка, а также цианиды, хлорофос и др. В небольших количествах промышленные отходы могут содер- жать ртуть, вылитую из вышедших из эксплуатации приборов и установок. Отходы, образующиеся на предприятиях машиностро- ения в результате использования радиоактивных веществ, обычно содержат небольшое количество изотопов с коротким периодом полураспада до 15 сут. Отходы производства, технология перера- ботки которых еще не разработана, складируют и хранят до по- явления новой (рациональной) технологии переработки отходов. 40
Обычно твердые отходы машиностроительного предприятия составляют, т/год: Шлак, окалина, зола 40 000 Горелая формовочная земля 3 800 Шламы, флюсы 600 Абразивы 0,5—48 Древесные отходы 100—1500 Пластмассы 780 Бумага, картон 2,6—12 Мусор 150—20 000 В табл. 18 приведены основные источники и наиболее распро- страненные группы веществ химического загрязнения почвы. § 6. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ЗАГРЯЗНЕНИЯ Источники шума. Шум в окружающей среде — в жилых и об- щественных зданиях, на прилегающих к ним территориях созда- ется одиночными или комплексными источниками, находящимися снаружи или внутри здания. Это прежде всего транспортные средства, техническое оборудование промышленных и бытовых предприятий, вентиляторные, газотурбокомпрессорные установки, станции для испытания ГТДУ и ДВС, различные аэрогазодина- мические установки, санитарно-техническое оборудование жилых зданий, электрические трансформаторы. Без принятия соответст- вующих мер по снижению шума его уровни* могут существенно превышать (на 20—50 дБ) нормативные величины. За последние десятилетия наблюдается непрерывное увеличение шума в круп- ных городах. Расчеты показывают, что в ближайшие 20—30 лет уровни шума на скоростных и городских магистралях возрастут на 7—10 дБ. Высокие уровни шума имеют место в жилых домах, школах, больницах, местах отдыха населения и т. д., что приво- дит к повышению нервного напряжения. Шумы, воздействующие на человека, классифицируются по спектральным и временным характеристикам. По характеру спектра шумы подразделяют на широкополос- ные, имеющие непрерывный спектр шириной более одной октавы, и тональные, в спектре которых есть слышимые дискретные тона. * Характеристикой постоянного во времени шума являются уровни звуко- вого давления L, выражаемые в децибелах (дБ) в октавных полосах со сред- негеометрическими частотами 63, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000, 8000 Гц, опре- деляемые по формуле Z.=20 \gplpa, где р—среднеквадратичное значение зву- кового давления, Па, ро — исходное значение звукового давления в воздухе, равное 2- Ю~5 Па Для ориентировочной оценки (например, при проверке органами надзора или выявлении необходимости осуществления мер по шумоглушению) в каче- стве характеристики постоянного широкополосного шума принимается уровень звука LA в дБА, измеряемый на временной характеристике шумомера «мед- ленно». 41
Тональность шума устанавливают по результатам измерений уровней звукового давления в третьоктавных полосах частот, когда превышение уровня в одной полосе над соседними состав- ляет не менее чем в 10 дБ. По временным характеристикам шумы подразделяют на по- стоянные, уровень звука которых изменяется во времени не более чем на 5 дБА при измерениях на временной характеристике шу- момера «медленно», и непостоянные, для которых это изменение превышает 5 дБА. Непостоянные шумы могут быть: — колеблющимися во времени, уровень звука которых непре- рывно изменяется; — прерывистыми, уровень звука которых ступенчато изменя- ется (на 5 дБА и более) несколько раз за время наблюдения, при этом источник шума работает с перерывами (паузами) меж- ду интервалами, в течение которых (одна секунда и более) уро- вень остается постоянным и превышающим уровень фонового шума; — импульсными, состоящими из одного или нескольких зву- ковых импульсов (сигналов), каждый длительностью менее од- ной секунды, при этом уровни звука, измеренные соответственно на временных характеристиках шумомера «импульс» и «медлен- но», отличаются не менее чем на 7 дБА. На рис. 5 приведены примеры шумов, встречающихся в прак- тике. Так, шум в жилой застройке, возникающий при испытании турбореактивного двигателя, является широкополосным (рис. 5, а), поскольку он имеет непрерывный спектр не только в одной октаве, но и во всем измеряемом диапазоне частот Такой широ- кополосный шум может быть постоянным во времени (длитель- ные испытания двигателя). Шум осевого вентилятора на террито- рии жилой застройки имеет тональный характер (рис. 5, б), так как уровень звукового давления в третьеоктавной полосе частот со среднегеометрической частотой 125 Гц более чем на 10 дБ превышает уровни в соседних полосах. Шум транспорта в ауди- ториях учебного заведения (рис. 5, в) может быть колеблющим- ся во времени, а шум воздухоразделительной установки при пе- риодическом сбрасывании сжатого воздуха (рис. 5, г) — преры- вистым. Наконец, шум молота имеет импульсный характер (рис. 5, <Э). Человек реагирует на шум в зависимости; от субъективных особенностей организма, привычного шумового фона. Раздражаю- щее действие шума зависит прежде всего от его уровня, а также от спектральных и временных характеристик. Считается, что шум с уровнем ниже 60 дБА вызывает нервное раздражение, по- этому неслучайно, что рядом исследователей установлена прямая связь между возрастающим уровнем шума в городах и увеличе- нием числа нервных заболеваний. 42
Источники инфразвуковых волн. Инфразвуковые источники могут быть как естественными (обдувание сильным ветром строи- тельных сооружений или водной поверхности), так и искусствен- ными (промышленными). К последним относят: механизмы с большой поверхностью, совершающие вращательное или возврат- но-поступательное движение (виброгрохоты, виброплощадки и т. п.). с числом рабочих циклов не более 20 раз в секунду (ин- фразвук механического происхождения); реактивные двигатели; 63 125 250 50В1Ш \ WOO 8000 2000 L,3EA 70 № 50 кО L,96A Зимин 6 60 50 W SO 20 ии/нуаююЬш 80 W0125160 200 250 Л5Ш 500 ffu, ft щонобый шум L Щ по характеристике .медленно" ~Al ■I интервал t между импульсами о Рис. 5. Виды спектров шума в окружающей среде: а — турбореактивного двигателя; б — осевого вентилятора; в — транспортных средств; г—аоэдухоразделигельной установки, д—молота ДВС большой мощности; турбины; мощные аэродинамические установки; вентиляторы, компрессоры и другие установки, созда- ющие большие турбулентные массы потоков газов (инфразвук аэродинамического происхождения); транспорт. Инфразвук воспринимается человеком за счет слуховой и так- тильной чувствительности. Так, при частотах 2—5 Гц и уровне звукового давления 100—125 дБ наблюдается осязаемое движение барабанных перепонок из-за изменения звукового давления в среднем ухе, затрудненное глотание, головная боль. Повышение уровня до 125—137 дБ может вызывать вибрацию грудной клет- ки, чувство «падения», летаргию. Инфразвук с частотой 15—20 Гц вызывает чувство страха. Известно влияние инфразвука на вести- булярный аппарат и снижение слуховой чувствительности. Все названные аномалии приводят к нарушению нормальной жизне- деятельности человека и проявляются даже на достаточно уда- 43
ленных от источников инфразвука расстояниях (до 800 м). Ин- фразвук может оказывать и косвенное воздействие (дребезжание стекол, посуды и др.)> что в свою очередь обусловливает высоко- частотные шумы с уровнем более 40 дБА. Источники вибраций. Технолохическое оборудование ударно- го действия (молоты и прессы), мощные энергетические установки (насосы, компрессоры, двигатели), рельсовый транспорт предпри- ятий и коммунального хозяйства (метрополитен, трамвай), а также железнодорожный транспорт относятся к источникам виб- рации. Во всех случаях вибрации распространяются по грунту и достигают фундаментов общественных и жилых зданий, часто вызывая звуковые колебания. Передача вибраций через фунда- менты и грунт может способствовать их неравномерной осадке, приводящей к разрушению расположенных на них инженерных и строительных конструкций. Особенно это, опасно для грунтов, насыщенных влагой. Источником вибрации может быть инженер- ное оборудование зданий (лифты, насосные установки), системы отопления, канализации, мусоропроводов. Во всех случаях вибрации вызывают раздражающее действие либо помехи для трудового процесса в общественных зданиях. Протяженность зоны воздействия вибраций в окружающей среде определяется величиной их затухания в грунте, которая, как правило, составляет 1 дБ/м (в водонасыщенных грунтах это за- тухание несколько больше). Чаще всего на расстоянии 50—60 м от магистралей рельсового транспорта вибрации практически затухают. Применительно к оборудованию кузнечно-прессовых цехов зона действия вибраций значительно больше, и для молотов с облегченными фундаментами она может составлять до 150— 200 м. Расчет амплитуд вертикальных (горизонтальных) колебаний грунта при вертикальных (горизонтальных) вибрациях фундамен- та машин с динамическими нагрузками производят по формуле где Аг — амплитуда вертикальных (горизонтальных) колебаний грунта в точках, расположенных на расстоянии г от оси фунда- мента,'являющегося источником волн в грунте; Ао — амплитуда свободных или вынужденных вертикальных (горизонтальных) ко- лебаний фундаментов определяется по СНиП 2.02.05—87; rQ=yrF/n—приведенный радиус подошвы фундамента, f = r/r0; F — площадь подошвы фундамента (основания). Частоту волн, рас- пространяющихся в грунте, принимают равной частоте колебаний фундамента машины. Источники электромагнитных полей (ЭМП). Повсеместно име- ется естественное магнитное поле Земли, напряженность которого 44
увеличивается с широтой. Однако известны и глобальные регио- нальные аномалии поля в местах залежей железной руды. Вследствие широкого применения источников электромагнит- ной энергии в различных отраслях народного хозяйства, науке и технике резко возрос общий электромагнитный фон Земли. Осо- бенно это заметно в крупных городах с высокоразвитой промыш- ленностью и мощными радиотехническими объектами. Основные источники ЭМП радиочастот антропогенного происхождения ра- диотехнические объекты (РТО), телевизионные и радиолокаци- онные станции (РЛС), термические цеха и участки (в зонах, примыкающих к машиностроительным предприятиям). Воздейст- вие на окружающую среду ЭПМ промышленной частоты чаще всего связано с высоковольтными линиями (ВЛ) электропередач, источниками постоянных магнитных полей являются промышлен- ные предприятия. Зоны с повышенными уровнями ЭПМ, источниками которых могут быть РТО и РЛС, имеют размеры до 100—150 м. При этом даже внутри зданий, расположенных в этих зонах, плотность потока энергии, как правило, выше допустимых значений. ЭПМ промышленной частоты в основном поглощаются почвой, поэтому на небольшом расстоянии от линий электропередач E0—100 м) напряженность этого поля падает с десятков тысяч до нескольких десятков вольт на метр. Наблюдения и результаты экспериментов показали, что элек- тромагнитные излучения космического, земного и околоземного происхождения играют определенную роль в организации жизнен- ных процессов на Земле. Так, давно известна высокая степень влияния солнечной активности на все виды биологической деятель- ности живых организмов, на рост эпидемий различных инфекцион- ных заболеваний. С изменением интенсивности геомагнитного поля связывают годовой прирост деревьев, урожай зерновых культур, случаи обострения инфаркта миокарда и психических заболеваний среди населения, а также число дорожных катастроф. Количественные и качественные характеристики ЭМП, сущест- венно отличающиеся от значений, к которым человек и другие объ- екты биосферы приспособились в течение эволюции, могут вызы- вать функциональные нарушения, иногда перерастающие в заболе- вания. В связи с этим вполне справедлива постановка вопроса об оптимизации электромагнитных условий, о создании так называе- мого электромагнитного комфорта. Воздействие ЭМП на окружающую среду связано с накоплени- ем заряда на предметах, не имеющих связи с землей. В этом случае возможен переход электрического потенциала накопленных зарядов на заземленные предметы (элементы систем отопления, водопро- вода и канализации). Этот разряд может вызвать у человека испуг, Непроизвольное движение и, как следствие этого, травму. При длительном постоянном воздействии ЭМП радиочастотного 45
диапазона на организм человека наблюдаются нарушения сердеч- но-сосудистой, дыхательной и нервной систем. Субъективно это проявляется в постоянных головных болях, повышенной утомляемо- сти, слабости, нарушении сна, повышенной раздражительности, ухудшении памяти и др. Вегетативные нарушения проявляются в дрожании рук и век, потливости, непостоянстве температуры тела. Электрическое поле вблизи ВЛ также оказывает на человека вредные воздействия, а именно: непосредственные, проявляющиеся при пребывании в электрическом поле с напряженностью 1000 В/м и выше и усиливающиеся с увеличением напряженности поля и времени пребывания в нем; электрические разряды (импульсный ток), возникающие при прикосновении человека к изолированным от земли конструкциям и протяженным проводникам или при при- косновении изолированного от земли человека к заземленным кон- струкциям и объектам; ток стекания, проходящий через человека при контакте с изолированными от земли объектами (крупногаба- ритными предметами, машинами и механизмами, протяженными проводниками). Кроме того, электрическое поле может стать причиной воспла- менения или взрыва паров горючих материалов и смесей в резуль- тате возникновения электрических разрядов при соприкосновении предметов и людей с машинами и механизмами. Источники ионизирующих излучений. Воздействие ионизирую- щего излучения на человека может происходить в результате внеш- него и внутреннего облучения. Внешнее облучение вызывают источ- ники рентгеновского, у-излучения и потоки протонов и нейтронов, находящиеся вне организма. Внутреннее облучение вызывают а- и р-частицы, которые попадают с радиоактивными веществами в ор- ганизм человека через органы дыхания и пищеварительный тракт. Приведем основные источники ионизирующего облучения чело- века в окружающей среде и средние эквивалентные дозы облучения, мкЗв/год (в скобках указаны эквивалентные дозы облучения для населения СССР на равнинной местности): Естественный фон космическое облучение 320C00) облучение от природных источников внешнее 350C20) внутреннее 2000A050) Антропогенные источники: медицинское обслуживание , 400—700A500) ТЭС (в радиусе 20 км) 5,3 АЭС (в радиусе 10 км) 1,35 радиоактивные осадки (главным образом последствия ис- пытаний атомного оружия в атмосфере) 75—200 телевизоры, дисплеи 4—5* при 1=2 м керамика, стекло 10 авиационный транспорт на высоте 12 км 5 мкЗв/ч * Доза облучения увеличивается с уменьшением расстояния / ДО экрана. При /==10 см доза облучения возрастает до 250—500 мкЗв/юд. 46
Для человека, проживающего в промышленно развитых регионах, годовая суммарная эквивалентная доза облучения из-за высокой частоты рентгенодиагностических обследований достигает 3000 — 35>ОО мкЗв/год (средняя на Земле доза облучения равна 2400 мкЗв/год), предельно допустимая доза для профессионалов (ка- тегория А) составляет 0,05 Зв/год. Развитие техники сопровождается ростом числа и мощности источников ионизирующего излучения. Это прежде всего предприя- тия, добывающие и перерабатывающие ядерное горючее, атомные электростанции (АЭС), хранилища отходов, научно-исследователь- ские институты, испытательные полигоны и др. Дозы облучения жителей, проживающих вокруг предприятий по переработке ядерного топлива на расстоянии до 200 км, колеблются от 0,1 до 65% от естественного фона излучения. Дозы облучения, создаваемые антропогенными источниками (за исключением облучений при медицинских обследованиях), неве- лики по сравнению с естественным фоном ионизирующего облуче- ния, что достигается применением средств коллективной защиты. В тех же случаях, когда нормативные требования и правила радиа- ционной безопасности не соблюдаются, уровни ионизирующего воз- действия резко возрастают. Наибольшую опасность представляют аварийные режимы рабо- ты указанных объектов. В мире работает более 370 энергетических реакторов, на которых произошло уже более 150 аварий [33] с утечкой радиоактивных веществ Так, авария на четвертом энерго- блоке Чернобыльской АЭС в первые дни после аварии привела к повышению уровней радиации над естественным фоном до 1000—- 1500 раз в зоне около станции и до 10—20 раз в радиусе 200— 250 км. При авариях все продукты ядерного деления высвобож- даются в виде аэрозолей (за исключением редких газов и иода) и распространяются в атмосфере в зависимости от силы и нап- равления ветра Размеры облака в поперечнике могут изменяться от 30 до 300 м, а размеры зон загрязнения в безветренную погоду могут иметь радиус до 180 км при мощности реактора 100 МВт. Влияние радионуклидов в водоемах значительно сложнее, чем в атмосфере. Это обусловлено не только скоростью рассеивания, но и их склонностью к концентрированию в водных организмах, к накоп- лению в почве. Приведем распределение (%) отдельных радиоизо- топов между составляющими пресноводного водоема: Изотоп Вода Грунт Биомасса 32р 60Со ^Sr 131J 137Cs 10 21 48 58 6 28 58 27 13 90 62 21 25 29 4 Приведенные показатели свидетельствуют о том, что вода, со- ставляющая 85% массы Земли, содержит лишь 27% радиоизотопов, 47
а биомасса, составляющая 0,1%, накапливает до 28% радиоизото- пов. Миграция радиоактивных веществ в почве определяется в основ- ном ее гидрологическим режимом и химическим составом почвы и радионуклидов. Меньшей сорбционной емкостью обладает песчаная почва, большей — глинистая почва, суглинки и черноземы. Высокой прочностью удержания в почве обладают 90Sr и 137Cs. Ориентиро- вочные значения радиоактивного загрязнения сухой массы, куль- турных растений следующие, Бк/кг: Культура MSr 137Cs Пшеница 2,849 10,730 Морковь 0,555 1,887 Капуста 0,469 2,109 Картофель 0,185 1,406 Свекла 0,666 1,702 Яблоки 0,333 1,998 Эти загрязнения, обусловленные глобальными поступлениями радиоактивных веществ в почву, не превышают допустимые уров- ни. Опасность возникает лишь в случаях произрастания культур в зонах с повышенным радиоактивным загрязнением. Развитие атомной энергетики сопровождается ростом радиоак- тивных отходов предприятий по добыче и переработке ядерного горючего. Активность отходов по данным [33] составляет (Бк): 1970 г. — 5,55-1020; 1980 г. — 2,035-1021; 2000 г. — 1,11 • 1022. Глав- ную опасность в экологическом отношении представляют отходы заводов по переработке тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ). § 7. ПОСЛЕДСТВИЯ ПРОМЫШЛЕННОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ Неуклонный рост поступлений токсичных веществ в окружаю- щую среду прежде всего отражается на здоровье населения, ухуд- шает качество продукции сельского хозяйства, снижает урожай- ность, преждевременно разрушает жилища, металлоконструкции промышленных и гражданских сооружений, оказывает влияние на климат отдельных регионов и состояние озонового слоя Земли, приводит к гибели флоры и фауны. Загрязнение атмосферы Поступающие в атмосферу оксиды углерода, серы, азога, угле- водороды, соединения свинца, пыль и т. д. оказывают различное токсическое воздействие на организм человека. Приведем свойства некоторых примесей. Оксид углерода СО. (Бесцветный и не имеющий запаха газ. Воздействует на нервную и сердечно-сосудистую системы, вызыва- ет удушье. Первичные симптомы отравления оксидом углерода (по- 48
явление головной боли) возникают у человека через 2—3 ч его поебывания в атмосфере, содержащей 200—220 мг/м3 СО; при бо- лее высоких концентрациях СО появляется ощущение пульса в вис- ках, головокружение. Токсичность СО возрастает при наличии в вовдухе оксидов азота, в этом случае концентрацию СО в воздухе необходимо снижать в ~ 1,5 раза Оксиды азота NO* (NO, NO2, N2O3, NO5, N2O4). В атмосферу выбрасывается в основном диоксид азота NO2 — бесцветный не имеющий запаха ядовитый газ, раздражающе действующий на ор- ганы дыхания Особенно опасны оксиды азота в городах, где они, взаимодействуя с углеводородами выхлопных газов, образуют фотохимический туман — смог.) Отравляющее действие оксидами азота начинается с легкого кашля. При повышении концентрации NO* возникает сильный кашель, рвота, иногда головная боль. При контакте с влажной поверхностью слизистой оболочки оксиды азота образуют кислоты HNO3 и НКОг, которые и приводят к отеку легких. Диоксид серы SO2. Бесцветный газ с острым запахом, уже в ма- лых концентрациях B0—30 мг/м3) создает неприятный вкус во рту, раздражает слизистые оболочки глаз и дыхательные пути. Наиболее чувствительны к SO2 хвойные и лиственные леса, так как он накапливается в листьях и хвое.Шри содержании SO2 в воз- духе от 0,23 до 0,32 мг/м3 происходит усыхаиие сосны за 2—3 года в результате нарушения фотосинтеза и дыхания хвои. Аналогичные изменения у лиственных деревьев возникают при концентрации SQ2 0,5—1,0 мг/м3. Углеводороды (пары бензина, пентан, гексан и др.). Обладают наркотическим действием, в малых концентрациях вызывают голов- ную боль, головокружение и т. п. Так, при вдыхании в течение 8 ч паров бензина в концентрации —600 мг/м3 возникают головные боли, кашель, неприятные ощущения в горле. Альдегиды. При длительном воздействии на человека альдеги- ды вызывают раздражение слизистых оболочек глаз и дыхательных путей, а при повышенных концентрациях (для формальдегида 20— 70 мг/м3) отмечается головная боль, слабость, потеря аппетита, бессонница Соединения свинца. В организм через органы дыхания поступа- ет ~50% соединений свинца Под действием свинца нарушается синтез гемоглобина, возникают заболевания дыхательных путей, Мочеполовых органов, нервной системы. Особенно опасны соедине- ния свинца для детей дошкольного возраста. В крупных городах содержание свинца в атмосфере достигает 5—38 мкм/м3, что пре- вышает естественный фон в 104 раз. Атмосферная пыль. В атмосфере постоянно присутствует пыль различного происхождения и химического состава. При неполном сгорании топлива образуется сажа, представляющая собой высоко- Дисперсный нетоксичный порошок, на 90—95% состоящий из час- 49
тиц углерода. Сажа обладает большой адсорбционной способно- стью по отношению к тяжелым углеводородам и в том числе к бенз(а)пирену, что делает сажу весьма опасной для человека. Источником атмосферной пыли является зола, образующаяся при сгорании топлива. Дисперсный состав пылей и туманов определяет их проникаю- щую способность в организм человека. Особую опасность пред- ставляют токсические тонкодисперсные пыли с размером частиц 0,5—10 мкм, которые легко проникают в органы дыхания. Приве- дем характерные размеры частиц (мкм) некоторых видов твердых и жидких примесей атмосферы: Масляный туман 0,03—1,0 Промышленный дым <1,0 Промышленная пыль 0,01—4000 Возгоны 1—5 Влияние среднесуточных концентраций загрязнителей на токси- ческое состояние атмосферы приведено в табл. 19. Интегральная оценка влияния токсичных примесей атмосферного воздуха на здо- Таблица 19 Основные вещества, загрязняющие воздушную среду Пыль неорганическая Сернистый газ Оксид азота Оксид углерода Углеводороды Сажа Фенол Свинец Сероводород Сероуглерод Аммиак Серная кислота Соляная кислота Формальдегид Ртуть Фтористые соединения Класс опас- ности IV III II IV IV III III I II 11 IV II II II I II Состояние воздушного бассейна при концентрации свыше, мг/м3 вызывает опасение 0,15 0,05 0,085 3,0 1,5 0,05 0,01 0,0007 0,008 0,005 0,2 0,1 0,2 0,012 0,0003 0,005 опасное 0,75 0,2 0,255 5,0 7,5 0,25 0,04 0,00126 0,024 0,015 1,0 0,3 0,6 0,036 0,00054 0,015 чрезвычайно опасное 3,75 0,38 0,765 25,0 37,5 1,25 0,16 0,00224 0,072 0,45 5,0 0,9 1,8 0,108 0,00096 0,045 ровье людей весьма сложна. В табл. 20 приведены зависимость между снижением уровня загрязнения атмосферного воздуха и уменьшением заболеваемости. 50
Таблица 20 Заболевание Грипп и катар верхних ды- хательных путей Пневмония Бронхиты Туберкулез органов дыхания Болезни сердца Гипертоническая болезнь Уменьшение числа заболеваний на 1000 с опасного уровня до допустимого 292 12,1 13,6 3 2,4 3,2 чел. с уровня, вызываю- щего опасения, до допустимого 90 5,6 3,2 1,7 0,5 2,0 Загрязнение гидросферы К наиболее вредным органическим загрязнителям гидросферы относят нефть и нефтепродукты. Ежегодно в Мировой океан посту- пает 5—10 млн. т нефти и нефтепродуктов, из которых на долю промышленных предприятий и транспорта приходится ~30—35%. Наличие на поверхности водоемов пленок масла, жиров, смазочных материалов препятствует газообмену между водой и атмосферой, что снижает насыщенность воды кислородом. Загрязнения вод неф- тью прежде всего оказывают отрицательное влияние на состояние фитопланктона и являются причиной массовой гибели птиц. Основные неорганические (минеральные) загрязнители пресных и морских вод — соединения свинца, мышьяка, ртути, хрома, меди и др. В табл. 21 приведены данные по антропогенному загрязнению Мирового океана некоторыми из этих веществ. Вещество Свинец Ртуть Кадмий сток с A-20) E-8) A-20) суши •105 •103 •103 Таблица 21 Загрязнение, т/год атмосферный перенос B—20)-10s B—3) -103 E—40) -102 Отходы, содержащие минеральные загрязнения, в основном, ло- кализуются около берегов, лишь некоторая их часть выносится да- леко за пределы территориальных вод. Особенно опасно загрязне- ние вод ртутью, поскольку заражение морских организмов может стать причиной отравления людей (болезнь минамата). 51
Загрязнение литосферы Значительно обострилась проблема ликвидации твердых про- мышленных и бытовых отходов, которые существенно влияют на изменение химического состава почвы, вызывая ухудшение ее каче- ства. Сильное загрязнение почвы тяжелыми металлами в совокуп- ности с очагами сернистых загрязнений, образующихся при сжига- нии каменного угля, приводит к возникновению техногенных пус- тынь. В почвах подзолистого типа с высоким содержанием железа при взаимодействии с серой образуется сернистое железо, являю- щееся сильным ядом. В результате в почве уничтожается микро- флора (водоросли, бактерии), что приводит к потере плодородия. Наиболее чувствительны к этим загрязнениям хвойные породы, более устойчивы ива и осина. Почва становится мертвой при содержании в ней 2—3 г свинца на 1 кг грунта (вокруг некоторых предприятий содержание свинца в почве достигает 10—15 г/кг). В тех случаях, когда промышленные и бытовые отходы вывозят- ся на свалки, создаются реальные угрозы значительных загрязнений атмосферы, поверхностных и грунтовых вод, это ведет к загрязне- нию и нерациональному использованию земельных угодий, неиз- бежно растут транспортные расходы и безвозвратно теряются цен- ные материалы и вещества. Грунтовые воды в результате взаимодействия влаги и загрязне- ний почвы закисляются до рН среды 2,5—3,5 (при рН 7 среда нейт- ральна). Донные осадки близлежащих водоемов загрязняются тя- желыми металлами на глубину 3—5 м. Другие загрязнения окружающей среды Ежегодно в окружающую среду нашей планеты пуступает до 2-Ю20 Дж теплоты, что сопровождается выбросом в атмосферу 18-109 т СО2. Основными источниками тепловых выбросов являют- ся процессы сжигания органического топлива и объекты ядерной энергетики (АЭС). Тепловые выбросы приводят к росту среднегодо- вой температуры атмосферы на Земле, снижению снежно-ледяного покрова и, как следствие, к уменьшению отражательной способно- сти (альбедо) планеты. Все это стимулирует дальнейшее повыше- ние средней температуры земной поверхности По данным Нацио- нальной академии наук США, к середине XXI в. температура ат- мосферы Земли возрастет примерно на 5,5 °С. Поэтому за счет таяния ледников и полярных льдов в ближайшие 25 лет ожида- ется повышение уровня Мирового океана на 10 см. Анализ выбросов теплоты в атмосферу от совокупности промыш- 52
ленных объектов на региональном уровне показывает, что характер- но наличие регионов с тепловыделением от 10 до 200 Вт/м2 пло- щадью до 104 км2. Результатом такого теплового воздействия в регионах является образование устойчивого пространственного «острова теплоты» с температурой, на 1—4°С превышающей рав- новесную естественную температуру воздуха. Влияние таких ост- ровов теплоты приводит к образованию в зонах их действия тума- нов, облачности, увеличению атмосферных осадков, в том числе и кислотных дождей. Образование кислотных дождей связано с поступлением во влажную атмосферу оксидов серы и азота. Особую опасность представляют стационарные источники (ТЭС и др.). Кислотные дожди снижают плодородие почв, ухудшают здоровье населения, отрицательно воздействуют на фауну и флору, разрушают метал- локонструкции и т. д. Выброс теплоты в водоемы неизбежно сопровождается повы- шением температуры континентальных и прибрежных вод, что приводит к серьезным изменениям биоценозов. Тепловое загряз- нение гидросферы стало значительным в связи с развитием атом- ной энергетики. При равной мощности у АЭС выбросы теплоты в окружающую среду приблизительно в 2 раза выше выбросов теп- лоты ТЭС. Повышение температуры воды приводит к уменьшению содержания растворенных в ней кислорода, углекислоты и азота, что сказывается на росте фауны (воспроизводство рыб, насеко- мых, растений). Среди разнообразия химических веществ и физических факто- ров, поступающих в окружающую среду, наиболее опасными яв- ляются канцерогены — вещества или факторы, способные вызы- вать в живых организмах развитие злокачественных образований. Из организма канцерогены не выводятся. К химическим канцерогенным веществам относят полицикли- ческие ароматические углеводороды (бенз(а)пирен и др.); эпокси- ды; гепатоксические яды (четыреххлористый углерод, хлороформ и др.); соединения металлов (оксид бериллия, оксид хрома, уксус- нокислый свинец, сульфид никеля и др ). Самым сильным канцеро- геном является бенз(а)пирен, содержащийся в отработавших газах ДВС, в продуктах сгорания угля, нефтепродуктах, сланцах. Высо- кие концентрации бенз(а)пирена наблюдаются вблизи транспорт- ных магистралей, ТЭС, металлургических заводов и цехов и т. п. К физическим канцерогенным факторам относят рентгеновские лучи, радиоактивные изотопы и другие виды радиоактивного за- грязнения среды, а также ультрафиолетовые лучи в больших дозах. Высокие уровни физических канцерогенных факторов могут, как правило, проявляться в зонах, примыкающих к аварийным объек- там ядерной энергетики. Ниже приведены последствия воздействия ионизирующего облучения на человека в зависимости от эквива- лентной дозы: 53
Последствия облучения Доза облу- чения, Зв через несколько Летальный исход дней * 10 В 90% случаев летальный исход в ближайшие недели 7 Первичная лучевая болезнь, в 10% случаев с летальным исходом в последующие месяцы 2 Летальных исходов нет, но значи- тельно увеличивается число ра- ковых заболеваний; полная сте- рилизация у женщин, на 2—3 го- да у мужчин 1 Малые дозы облучения могут привести к раковым заболеваниям, которые, как правило, проявляются спустя много лет после облуче- ния (рис. 6). Повреждения, вызываемые большими дозами облуче- ния, проявляются через несколько часов или дней. Одним из источников ультрафиолетового облучения являются космические лучи, проникающая способность которых к поверхно- сти Земли во многом определяет- ся состоянием озонового слоя ат- мосферы, расположенного "на вы- соте от 8—10 км на полюсах и от 16—18 км на экваторе до 50—■ 55 км от поверхности Земли. В последние десятилетия озоновый слой непрерывно подвергается физическому и химическому воз- действию. В частности, соверша- ют полеты в пределах озонового слоя сверхзвуковые самолеты и 1 Р 10 го 30 W 50 Число лет после облучения Рис. 6. Относительная вероятность заболевания раком (I — лейкозы; 2 — другие виды раковых заболева- ний) после получения однократной дозы в 0,01 Зв при равномерном об- лучении всего тела космические аппараты, непрерыв- но нарастают поступления в озо- новый слой оксидов азота, фрео- иов и других соединений. Разру- шение озонового слоя происхо- дит главным образом под действием оксидов азота (NO-fO3-> -VNO2+O2) и фреонов, широко применяемых в технике и в быту. Считают, что уже в 1973 г. фреонами был разрушен ~ 1 % озо- нового слоя, к 2000 г. будет разрушено ~3%, а к 2050 г. ~10%. Разрушение озонового слоя особенно значительно над полюсами Земли и в зонах полета космических аппаратов и сверхзвуковой авиации. Модельные исследования показывают, что 60 запусков кораблей «Шаттл» в течение года могут снизить концентрацию озо- на в северном полушарии на 0,2%, что на 0,4% превысит уровень УФ B90—320 нм) радиации на поверхности Земли. Общие оценки воздействия технологии и транспорта на озоновый слой свидетель- ствуют пока об ограниченном его разрушении, однако тенденции 54
дальнейшего развития этого процесса не всегда предсказуемы (на- пример, образование озонных «дыр» над Антарктидой). Особенно опасны для озонового слоя ядерные взрывы в атмос- фере, так как при этом в него поступают такие вещества, как С1, NO, N02. Ядерная война может истощить озоновый слой на 20% и более. Сокращение концентрации О3 в озоновом слое приведет к массовым раковым заболеваниям кожи у людей, замедлению фото- синтеза и гибели некоторых видов растений. § 8. ОСНОВНЫЕ МЕРОПРИЯТИЯ ПО ЗАЩИТЕ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ Защита окружающей среды — это комплексная проблема, тре- бующая усилий ученых многих специальностей. Наиболее активной формой защиты окружающей среды от вредного воздействия выбро- сов промышленных предприятий является полный переход к безот- ходным и малоотходным технологиям и производствам. Это потре- бует решения целого комплекса сложных технологических, конст- рукторских и организационных задач, основанных на использовании новейших научно-технических достижений. Важными направления- ми экологизации промышленного производства следует считать: совершенствование технологических процессов и разработку нового оборудования с меньшим уровнем выбросов примесей и отходов в окружающую среду; экологическую экспертизу всех видов произ- водств и промышленной продукции; замену токсичных отходов на нетоксичные; замену неутилизируемых отходов на утилизируемые; широкое применение дополнительных методов и средств защиты окружающей среды. В качестве дополнительных средств защиты применяют: аппара- ты и системы для очистки газовых выбросов, сточных вод от приме- сей; глушители шума при сбросе газов в атмосферу; виброизолято- ры технологического оборудования; экраны для защиты от ЭМП и др. Эти средства защиты постоянно совершенствуются и широко внедряются в технологические и эксплуатационные циклы во всех отраслях народного хозяйства. Дополнительные средства защиты окружающей среды применя- ют на транспорте и передвижных энергоустановках. Это—■ глушите- ли, сажеуловители, нейтрализаторы отработавших газов ДВС, глу- шители шума компрессорных установок и ГТДУ, виброизоляторы рейсового транспорта и т. д. Важная роль в защите окружающей среды отводится мероприя- тиям по рациональному размещению источников загрязнений: вы- несение промышленных предприятий из крупных городов в малона- селенные районы с непригодными и малопригодными для сельско- хозяйственного использования землями; оптимальное расположение промышленных предприятий с учетом топографии местности и розы ветров; установление санитарно-защитных зон вокруг промышлен- 55
ных предприятий; рациональная планировка городской застройки, обеспечивающая оптимальные экологические условия для человека и растений; организация движения транспорта с целью уменьшения выброса токсичных веществ в зонах жилой застройки. В охране окружающей среды необходимы службы контроля ка- чества окружающей среды, которые должны вести систематизиро- ванные наблюдения за состоянием атмосферы, воды и почвы для получения фактических уровней загрязнения окружающей среды. Полученная информация о загрязнениях позволяет быстро выявлять причины повышения концентраций вредных веществ и активно их устранять. На реализацию комплекса мер по охране окружающей среды во всех развитых странах мира выделяются ассигнования, достигаю- щие 2—4% национального дохода. В СССР расходы на охрану ок- ружающей среды и рациональное использование природных ресур- сов в XI пятилетке составили 43 млрд. руб Ориентировочно, на примере США, относительные затраты со- ставляют, %• охрана атмосферы — 35,2, охрана водоемов — 48,0, ликвидация твердых отходов—15,0, снижение шума — 0,7, про- чее— 1,1. Контрольные вопросы 1. Приведите соотношения масс естественных и антропогенных приме- сей, поступающих в атмосферу Почему большую опасность для среды оби- тания представляют антропогенные загрязнения' 2. Назовите технологические процессы и виды продукции машинострои- тельного производства, оказывающие негативное воздействие на окружаю- щую среду Каковы основные пути этого воздействия' 3. Каковы особенности негативного влияния на окружающую среду транспорта (автомобильного, воздушного, космического)' 4. Назовите основные причины, вызывающие разрушение озонового слоя Земли, выпадение кислотных дождей, потепление климата, парниковый эф- фект, образование смога 5. Какова роль малоотходных и безотходных технологий, замкнутых си- стем водоснабжения, дополнительных средств, мероприятий по рационально- му размещению источников загрязнений в охране окружающей среды?
ГЛАВА 2 ЗАЩИТА АТМОСФЕРЫ § 9. НОРМИРОВАНИЕ ПРИМЕСЕЙ АТМОСФЕРЫ Предельно допустимые концентрации (ПДК) примесей. Основ- ной физической характеристикой примесей атмосферы является концентрация — масса (мг) вещества в единице объема (м3) возду- ха при нормальных условиях. Концентрация примесей определяет физическое, химическое и другие виды воздействия веществ на че- ловека и окружающую среду и служит основным параметром при нормировании содержания примесей в атмосфере. ПДК — это максимальная концентрация примеси в атмосфере, отнесенная к определенному времени осреднения, которая при пе- риодическом воздействии или на протяжении всей жизни человека не оказывает ни на него, ни на окружающую среду в целом вредно- го действия (включая отдаленные последствия). Если вещество оказывает на окружающую природу вредное дей- ствие в меньших концентрациях, чем на организм человека, то при нормировании исходят из порога действия этого вещества на окру- жающую природу. Предельно допустимые концентрации загрязняющих веществ в атмосферном воздухе населенных пунктов регламентированы спис- ком Министерства здравоохранения СССР № 3086—84 от 27 авгус- та 1984 г. с дополнениями, в соответствии с которым установлены: класс опасности вещества, допустимые максимальная разовая и среднесуточная концентрации примесей* (см. приложение I). Максимальная разовая ПДКтах — основная характеристика опасности вредного вещества. Она устанавливается для предупреж- дения рефлекторных реакций у человека (ощущение запаха, свето- вой чувствительности, изменение биоэлектрической активности го- ловного мозга и др.) при кратковременном воздействии атмосфер- ных примесей. Среднесуточная ПДКсс установлена для предупреж- дения общетоксического, канцерогенного, мутагенного и другого влияния вещества на организм человека. Приоритет научного обоснования допустимых концентраций * Для вредных веществ, ПДК которых не утверждены Министерством здравоохранения СССР, определены ориентировочные безопасные уровни вред- ности (ОБУВ) загрязняющих веществ в атмосфере населенных пунктов. ОБУВ Утверждается сроком на три года. 57
примесей в атмосфере принадлежит советским ученым и прежде все- го В.Я-Рязанову. В табл.22 приведены ПДК некоторых наиболее характерных веществ, загрязняющих атмосферный воздух в горо- дах и населенных пунктах Наибольшая концентрация с каждого вредного вещества в при- земном слое не должна превышать максимально разовой предельно допустимой концентрации, т. е. с^ПДКтах, при экспозиции не бо- лее 20 мин. Если время воздействия вредного вещества превышает 20 мин, то с^ПДКсс Таблица 22 Вещества NO2 СО Пыль неорганическая Сажа SO2 H2S Бензин Бенз(а)пирен HNO3 Свинец и его соедине- ния Класс опасности 2 4 3 3 3 2 4 1 2 1 Предельно допустимые максимальная разовая 0,085 5,0 0,15—0,5 0,15 0,5 0,008 5 — 0,4 — концентрации, мг/м' среднесуточная 0,04 3,0 0,05—0,15 0,05 0,05 — 1,5 0,1 мкг/100 м3 0,15 0,0003 Примечание. В США ПДКт« (часовая нор'ла) вредных веществ состав- ляет, мг/м3: по пыли — 0,12, по SO2 — 0,75. При одновременном присутствии в атмосфере нескольких вред- ных веществ, обладающих однонаправленным действием, их без- размерная суммарная концентрация должна удовлетворять усло- вию: ci/ПДК! + е2/ПДК2 + ... +ся/ПДК^< 1, A) где с\, С2, ..., сп — концентрация вредных веществ в атмосфере в од- ной и той же точке местности, мг/м3; ПДКь ПДКг, ..., ПДК* — пре- дельно допустимые концентрации вредных веществ в атмосфере, мг/м3. Например, высоту труб современных ТЭС рассчитывают из условия, что концентрация SO2 и NOX в приземном слое атмосфе- ры удовлетворяют условию Эффектом однонаправленного действия обладают, например, такие вредные вещества, как диоксиды серы и азота; диоксид серы и сероводород; сильные минеральные кислоты (серная, соляная, 58
азотная); этилен, пропилен, бутилен, амилен; озон, диоксид азота, формальдегид и др. Максимальные концентрации вредных веществ определяют по разовым пробам, отобранным в течение 20 мин. Среднесуточные концентрации определяют либо как среднеарифме- тическое значение концентраций разовых проб, для которых уста- навливают периодичность их отбора, либо из суточных концентра- ций, полученных непрерывно в течение 24 ч. Регламент отбора проб воздуха в населенных пунктах определен ГОСТ 17.2.3.01—86 (СТ СЭВ 1925—79). Предельно допустимые выбросы (ПДВ) примесей. В соответ- ствии с требованиями ГОСТ 17.2.3.02—78 для каждого проектируе- мого и действующего промышленного предприятия устанавливается предельно допустимый выброс вредных веществ в атмосферу при условии, что выбросы вредных веществ от данного источника в со- вокупности с другими источниками (с учетом перспективы их разви- тия) не создадут приземную концентрацию, превышающую ПДК. При определении ПДВ примеси от расчетного источника необхо- димо учитывать ее концентрацию в атмосфере, обусловленную вы- бросами от других источников, соблюдая для приземного слоя ус- ловие с+сф<ПДК, где с-—концентрация вещества в приземном слое, создаваемая расчетным источником выброса; Сф — фоновая концентрация веще- ства. Расчет ПДВ в тоннах за год как количества вредных веществ, которое не разрешается превышать при выбросе в атмосферу, про- изводят на основе методов, разработанных Главной геофизической обсерваторией им. А. И. Воейкова и утвержденной Госкомгидроме- том 10 марта 1981 г. с изменениями от 12 августа 1982 г. [26]. Устанавливаются также контрольные значения ПДВ в граммах за секунду, которые ие должны превышаться в любой двадцатими- нутный интервал времени. Кроме того, контроль ПДВ ведут в сред- нем за сутки, месяц, год. ПДВ устанавливают для каждого источника загрязнения атмос- феры. Для неорганизованных выбросов и совокупности мелких одиночных источников (вентиляционные выбросы, выбросы стацио- нарных энергоустановок и т. п.) устанавливают суммарный ПДВ. Если на данном предприятии или группе предприятий, располо- женных в одном районе, значения ПДВ по объективным причинам не могут быть достигнуты в настоящее время, по согласованию с органами Госкомприроды СССР допускается планировать поэтап- ное, с указанием продолжительности каждого этапа, снижение вы- бросов до величин, обеспечивающих соблюдение ПДК. При этом значения временно согласованных выбросов (ВСВ) должны уста- навливаться с учетом передового экологического опыта в техноло- 59
гии данного производства. ПДВ и ВСВ пересматривают не реже од- ного раза в пять лет. Предельно допустимые выбросы транспортных средств с ДВС установлены ГОСТ 17.2.2.03—87, ГОСТ 21393—75*, ГОСТ 17.2.2.01—84, ГОСТ 17.2.2.02—86, ГОСТ 17.2 2.05—86 и др., а также отраслевыми стандартами (ОСТ 37.001.054—86, ОСТ 37.001.234—81, ОСТ 37.001.262—83 и др.). После изготовления состав отработавших газов автомобиля с бензиновым ДВС должен соответствовать требованиям ОСТ 37.001. 054—86 (табл. 23), который распространяется на серийные автомо- били с полной массой не более 3500 кг и автобусы с числом мест не более 12. Таблица 23 Контрольная масса авто- мобиля, кг До 1020 вкл Св. 1020 до 1250 вкл. Св. 1250 до 1470 вкл Св. 1470 до 1700 вкл. Св. 1700 до 1930 вкл. Св. 1930 до 2150 вкл Св. 2150 ПДВ вредных веществ, СО 62 72 82 91 100 109 119 г/испытание* " М МП Jn m X 23,8 25,6 27,5 29,4 31,3 33,1 35 * Испытания автомобилей проводятся по ездовому циклу, имитирующе- му движение автомобиля в городских условиях. ОСТ 37.001.054—86 предусматривает снижение ПДВ в период 1990—1991 гг. Перспективные нормы выброса вредных веществ для серийных автомобилей приведены в табл. 24. Рабочий объем двигателя, л >2,0 (с нейтрализатором) >2,0 (без нейтрализатора) 1,4—2,0 (с нейтрализатором) 1,4—2,0 (без нейтрализатора) <1,4 (без нейтрализатора) ПДВ Т вредных веществ. г/испытание* СО 30 54 36 54 54 сянт+ыо,« 7,8 D,2) 20 G,2) 9,6 20 G,2) 18 G,2) а б л и ц а 24 Год введе- ния 1990 1990 1991 1991 1990 • См сноску к табл 23 ** В скобках указано содержание в суммарном выбросе 60
Нормативные значения вредных выбросов, приведенные в табл. 23 и 24, соответствуют выбросам автомобилей с приводом на одну ось. Если автомобиль снабжен приводом на все колеса, то ПДВ вредных веществ увеличивается в 1,25 раза при массе автомобиля до 2000 кг и в 2 раза при массе более 2000 кг. Состав отработавших газов автомобиля с бензиновым ДВС при эксплуатации на режиме холостого хода должен соответствовать требованиям ГОСТ 17.2.2.03—87 (табл. 25). Таблица 25 Режим работы Минимальное число оборотов режиме холостого хода птт Хх Повышенное число оборотов пПОв на * со 1 2 % 5 0' ПДВ вредных веществ CnHm, млн-> для двигателей с числом цилиндров до 4 1200 600 св 4 3000 1000 * пп устанавливается техническими условиями и указывается в инструкции на экс- плуатацию автомобиля Обычно лпов принимается в пределах от 2000 до 0,8 яном Хх об/мин, где обычно пном хх — номинальное число оборотов на режиме холостого хода После изготовления серийного автомобиля массой до 3500 кг с четырехтактным дизельным двигателем состав отработавших га- зов должен соответствовать требованиям ОСТ 37.001.054—86 (см. табл. 23 и 25), а для дизелей автомобилей массой свыше 3500 кг — ОСТ 37.001.234—81: Вещество СО CjiH NO* Удельный выброс, не более, г/(кВт ч) 9,5 3,4 18,35 ГОСТ 17.2.2.01—84 определены допустимые нормы дымности от- работавших газов дизелей при стендовых испытаниях. Условный расход отработавших газов, дм'/с до 42 вкл св 42—50 св 50—75 св 75—100 св 100—125 св 125—150 св 150—175 св. 175—200 св 200 Дымность 60 56 50 45 41 39 37 35 34 61
Условный расход отработавших газов Gor определяют по форму- лам: Gov=Vn/2 — для четырехтактных двигателей; Gor=Vn— для двухтактных двигателей, где V—■ рабочий объем цилиндров дизе- ля, дм3; п — частота вращения коленчатого вала, с-1. При эксплуатации дымность дизельных двигателей без надду- ва грузовых автомобилей (КамАЗ, МАЗ, КрАЗ и их модификаций) и автобусов должна соответствовать требованиям ГОСТ 21393—75* и не превышать 40% на режиме свободного ускорения двигателя и 15% —на максимальном числе оборотов двигателя в режиме хо- лостого хода. Суммарный выброс в атмосферу вредных веществ с отработав- шими газами автомобильного транспорта определяется количест- вом эксплуатируемых (в городе, регионе, стране) автомобилей и концентрацией токсичных веществ в отработавших газах, при этом естественно, что рост числа эксплуатируемых автомобилей неизбеж- но требует повышения экологических показателей ДВС. В странах Западной Европы, США и Японии плотность эксплуатируемых транспортных средств с ДВС весьма высока и достигает, например, в Японии 132 автомобиля на, 1 км2 всей территории страны. Совре- менные и перспективные нормативы на выброс токсичных веществ с отработавшими газами автомобилей приведены ниже: Страна США, СССР Япония Год введения норм .... с 1981 с 1990 СО, г/км 2,11 6,14* С„Нт, г/км 0,25 0,77* NOx, г/км 0,62 0,86* Международной организацией гражданской авиации (ИКАО) разработаны требования к токсичности выхлопных газов ГТДУ. Допустимые удельные массы т,у/?взл выброса загрязняющих ве- ществ (углеводороды, оксид углерода и оксиды азота) определяют- ся степенью повышения давления воздуха пк в компрессоре ГТДУ на взлетном режиме (рис. 7) и рассчитываются по формулам: "»с н /Явзл-0,0625 @,92)\ но не более 0,0275 г/Н; С н п т п\ Юсо/Явзл = 11 [п\,но не более 0,27 г/Н; ттх1^азл= C,2 +0,08як) 10-2,но не более 0,064 г/Н. Испытания ГТДУ проводят по взлетно-посадочному циклу, при- веденному в табл. 26. * Определено пересчетом нормативных требований, установленных ОСТ 37.001.054—86, для автомобилей с нейтрализатором объемом цилиндров ДВС более 2 л. Для автомобилей этого класса без нейтрализатора допустимые выб- росы составят, г/км: СО—11,19; С„Нт —2,71; NO* — 1,48. 62
Таблица 26 Режим Холостой ход и руление перед взлетом, ру- ление и холостой ход после посадки Взлет Набор высоты до 900 м Заход на посадку с высоты 900 м Тяга 0,07 Явзл /\взл 0,85 Явзл 0,3 Явзл Время работы на режиме, мин 22 0,7 2,2 4 ГОСТ 17.2.2.04—86 устанавливает нормы выбросов с отработав- шими газами несгоревших углеводородов, оксида углерода и окси- дов азота при стендовых испытаниях ГТДУ самолетов гражданской авиации. Допустимые удельные выбросы загрязняющих веществ не должны превышать следующих значений, r/Н: углеводороды — 0,0196, оксид углерода — 0,118, оксиды азота — D0+2зтк) 10~3. mL г/ Rr-'JH "»3/7 OJO § 10. ПАРАМЕТРЫ ПРОЦЕССА ПЫЛЕУЛАВЛИВАНИЯ Процесс очистки газов от твердых и капельных примесей в различных аппаратах характери- зуется несколькими параметрами, в том числе общей эффективно- стью очистки ц: П = (ст — свых)/свк, B) 0,25 0,20 0,15 Ц1в 0,05 10 10 W Пк Рис 7 Зависимость отношения до- пустимого удельного выброса СО, NOX и CnHm от степени повышения давления воздуха в компрессоре ГТДУ где cBX и Свых — массовые кон- центрации примесей в газе соот- ветственно до и после пылеуло- вителя. Если очистка ведется в систе- ме последовательно соединенных аппаратов, то общая эффектив- ность очистки: ■П= 1 _(I_ll)(l_l2)...(I _1я), где t]i, т]2, -Цп — эффективность очистки 1-го, 2-го и n-го аппаратов. В ряде случаев используют понятие фракционной эффективно- сти очистки: . и св — массовые концентрации г-й фракции загрязни- теля до и после пылеуловителя. 63
Для оценки эффективности процесса очистки также используют коэффициент проскока К частиц через пылеуловитель: К = саых/ст. C) Как следует из формул B) и C), коэффициент проскока и эф- фективность очистки связаны соотношением. К=1—ц. При сравнительной оценке задерживающей способности пыле- уловителей различных типов кроме общей и фракционной эффек- тивности очистки используют понятие «медианной dso тонкости очистки». Она определяется размерами частиц, для ко'орых эффек- тивность осаждения в пылеуловителе составляет 0,50. Гидравлическое сопротивление пылеуловителей Ар определяют как разность давлений газового потока на входе рвх и выходе рямх из аппарата. Величину Ар находят экспериментально или рассчиты- вают по формуле Ьр = Ры-рвы*=№2/2, D) где р и w — соответственно плотность и скорость газа в расчетном сечении аппарата; £ — коэффициент гидравлического сопротивле- ния. Если в процессе очистки гидравлическое сопротивление пыле- уловителя изменяется (обычно увеличивается), то необходимо ре- гламентировать его начальное Арнач и конечное Аркон значения. При достижении Ар = Аркон процесс очистки нужно прекратить и провести регенерацию (очистку) пылеулавливающего устройства Последнеее обстоятельство имеет принципиальное значение для фильтров. Величина гидравлического сопротивления и объемный расход Q очищаемого газа определяют мощность N привода устройства для подачи газа к пылеуловителю: N = kbpQ/(wa), E) где k — коэффициент запаса мощности; г\и — КПД передачи мощ- ности от электродвигателя к вентилятору; т)в—КПД вентилятора. Удельная пылеемкость пылеуловителя зависит от количества пыли, которое им удерживается за период непрерывной работы между двумя очередными регенерациями. Применительно к фильтрам удельную пылеемкость оценивают как массу осадка, приходящуюся на единицу площади рабочей поверхности фильтру- ющего элемента. Удельную пылеемкость используют в расчетах продолжительности работы фильтра между регенерациями. При описании процессов фильтрации используют скорость фильтрации Шф, равную отношению объемного расхода фильтруе- мого газа к площади фильтрования, w$ = Q/F$. Скорость фильтра- ции позволяет оценить удельную массовую пропускную способность фильтрующих материалов pw$, где р — плотность фильтруемого газа. Для оценки скорости движения газа непосредственно в по- 64
pax фильтроэлемента используют понятие скорость в порах wa. При этом да„ = Шф/П, где П — пористость фильтроматериала. В процессах пылеулавливания весьма важны физико-химиче- ские характеристики пылей и туманов, а именно: дисперсный (фракционный) состав, плотность, адгезионные свойства, смачивае- мость, электрическая заряженность частиц, удельное сопротивление слоев частиц и др. Для правильного выбора пылеулавливающего аппарата необходимы прежде всего сведения о дисперсном составе пылей и туманов. Результаты определения дисперсного состава пыли обычно представляют в виде зависимости массовых (иногда счетных) фракций частиц от их разме- ра. Под фракцией понимают массовые (счетные) доли частиц, содержащихся в определенном интервале размеров частиц Распределения частиц примесей по размерам могут быть различными, однако на практике они часто согласуются с логарифмическим нормальным законом распределения Гаусса (ЛНР). В ин- тегральной форме это распределение описывают формулой юо у- '/1(;У10) j где M(d4)—относительная доля частиц размером менее d4, di0— медианный размер частиц, при котором доли частиц размером более и менее d5o равны; lg а — среднеквадратичное отклонение в функции ЛНР Графики ЛНР частиц обычно строят в вероятностно-логарифмической системе координат, текущий размер частиц откладывают на оси абсцисс, а на оси ординат — относительную долго частиц с размерами меньше d4. Шкалу оси абсцисс строят по логарифму диаметра частиц, а оси ординат — вычислением каждого из значений шкалы по уравнению ^- J где y=lg(d4/dbo)l\ga Цифровые значения этой функции затабулированы и приводятся в сокра- щенном виде. M(d4), % у M(d4). % у 1 —2,326 50 0,0 5 —1,645 55 0,126 10 —1,282 60! 0,253 15 —1,036 65 0,385 15,9 —1,00 70 0,524 20 —0,842 75 0,675 25 —0,675 80 0,824 30 —0,524 84,1 1,00 35 —0,384 85 1,036 40 —0,253 90 1,282 45 —0,126 95 1,645 99 2,326 Если в этой системе координат интегральное распределение частиц по раз- мерам описывается прямой линией, то данное распределение подчиняется ЛНР. В этом случае dso находят как абсциссу точки "рафика, ордината которой 3-521 65
равна 50%, a lg a — из уравнения lg a=lg rf84,i—lg<4c- Для характеристики пылей и сравнения их между собой достаточно иметь два параметра. dM и lg ст. Значение йъа дает средний размер частиц, а lg a — степень полидисперс- ности пыли. В табл. 27 приведены значения d5o и lg а для некоторых пылей Таблица 2~ Технологический процесс Заточка инструмента Размол в шаровой мельнице Сушка угля в барабане Экспериментальные исследова- ния Вид пыли Металл, абразив Цемент Каменный уголь Кварцевая пыль dm, мкм 38 20 15 3,7 lg a 0,214 0,468 0,334 0,405 По дисперсности пыли классифицированы на 5 групп: I — очень крупнодисперсная пыль, flf5o>l4O мкм; II — крупнодисперсная пыль, £?5о = 4О—140 мкм; III — среднедисперсная пыль, cf5o = 10—40 мкм, IV — мелкодисперсная пыль, d5o=l —10 мкм; V — очень мелкодис персная пыль, d5o<l мкм. Важный параметр пыли — ее плотность. Различают истинную и кажущуюся плотность частиц пыли, а также насыпную плот- ность слоя пыли. Кажущаяся плотность частицы — это отношение ее массы к объему. Для сплошных (непористых) частиц значение кажущейся плотности численно совпадает с истинной плотностью Насыпная плотность слоя пыли равна отношению массы слоя к его объему и зависит не только от пористости частиц пыли, но v от процесса формирования пылевого слоя. Насыпная плотность слежавшейся пыли примерно в 1,2—1,5 раза больше, чем у свеже насыпанной. Насыпная плотность слоя необходима для вычисление объема пыли в бункерах. Склонность частиц пыли к слипаемости определяется ее адгези онными свойствами. Чем выше слипаемость пыли, тем больше веро ятность забивания отдельных элементов пылеуловителя и налипа ния пыли на газоходах. Чем мельче пыль, тем выше ее слипаемость Все пыли IV и V групп дисперсности практически относятся к сли- пающимся пылям, пыли II и III групп — к среднеслипающимся, а пыли I группы — к слабослипающимся. Слипаемость пыли значи- тельно возрастает при ее увлажнении. Смачиваемость частиц жидкостью (водой) влияет на работу мокрых пылеуловителей, а электрическая заряженность частиц — на их поведение в пылеуловителях и газоходах. К общим параметрам пылеуловителей относят их производи- тельность по очищаемому газу и энергоемкость, определяемую вели- чиной затрат энергии на очистку 1000 м3 газа. 66
§11. СУХИЕ ПЫЛЕУЛОВИТЕЛИ Классификация пылеулавливающего оборудования основана на принципиальных особенностях процесса отделения твердых частиц от газовой фазы, это: — оборудование для улавливания пыли сухим способом, к кото- рому относятся циклоны, пылеосадительные камеры, вихревые цик- лоны, жалюзийные и ротационные пылеуловители, электрофильтры, фильтры, — оборудование для улавливания пыли мокрым способом, к ко- торому относятся скрубберы Вентури, форсуночные скрубберы, пен- ные аппараты и др. Для очистки воздуха, удаляемого вентиляционными аспирацион- ными системами от твердых и жидких примесей, применяют пыле- уловители пяти классов (табл. 28). Таблица 28 Класс пыле- уловителя i и ш IV V Размеры улавливаемых пылевых частиц, мкм Более 0,3 Более 2 Более 4 Более 8 Более 20 Группа пыли по дисперс- ности V IV IV III III II II I I Эффективность пыле- уловителя 0,8 0,8—0,999 0,45—0,92 0,92—0,999 0,8—0,99 0,99—0,999 0,95-0,999 0,999 0,99 Примечание. Границы эффективности пылеуловителей указаны с учетом Дисперсности пыли Первое значение эффективности относится к меньшему зна- чению d$0; второе — к большему. Широкое применение для сухой очистки газов получили цикло- ны различных типов (рис. 8). Газовый поток вводится в циклон че- рез патрубок 2 по касательной к внутренней поверхности корпуса 1 и совершает вращательно-поступательное движение вдоль корпуса к бункеру 4. Под действием центробежной силы частицы пыли об- разуют на стенке циклона пылевой слой, который вместе с частью газа попадает в бункер. Отделение частиц пыли от газа, попавше- го в бункер, происходит при повороте газового потока в бункере на 180°. Освободившись от пыли, газовый поток образует вихрь и вы- ходит из бункера, давая начало вихрю газа, покидающему циклон через выходную трубу 3. Для нормальной работы циклона необхо- дима герметичность бункера. Если бункер негерметичен, то из-за Подсоса наружного воздуха происходит вынос пыли с потоком через выходную трубу. 3* 67
Все практические задачи по очистке газов от пыли с успехо\ решаются цилиндрическими (ЦН-11, ЦН-15, ЦН-24, ЦП-2) и кони ческими (СК-ЦН-34, СК-ЦН-34М и СДК-ЦН-33) циклонам! НИИОГАЗа (Государственный научно-исследовательский институ по промышленной и санитарной очистке газов) [5, 30]. Конструк- очищенныи газ газ i пыль Рис. 8. Циклон Рис. 9. Цилиндрический (а) и ко- нический (б) циклоны НИИОГаза тивные схемы и типовые размеры цилиндрических и конически циклонов НИИОГАЗа показаны соответственно на рис. 9 и в табл 29 и 30. В СССР для циклонов принят следующий ряд внутренние диаметров D, мм: 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1000, 1200 1400, 1600, 1800, 2000, 2400 и 3000. В табл. 29 и 30 геометрически» размеры цилиндрических и конических циклонов даны в долях внут реннего диаметра D. Для всех циклонов бункеры имеют цилиндрическую форму диа метром Do, равным 1,51) для цилиндрических и A,1—1,2) D дл: конических циклонов. Высота цилиндрической части бункера со- ставляет 0,8D, днище бункера выполняется с углом 60° между стен- ками, выходное отверстие бункера имеет диаметр 250 или 500 мм. Избыточное давление газов, поступающих в циклоны, не долж- но превышать 2500 Па. Температура газов во избежание конденса- ции паров жидкости выбирается на 30—50°С выше температуры точки росы, а по условиям прочности конструкции ■— не выше 400°С. Производительность циклона зависит от его диаметра, увеличива- 68
ясь с ростом последнего. Эффективность очистки циклона серии ЦН падает с ростом угла входа в циклон. Так, при одних и тех же ус- ловиях работы получено: "Чщ-Ыб/^цн 11 = ° .885, а 'Чцн-24/11цн-11==0'795- Цилиндрические циклоны НИИОГАЗа предназначены для улав- ливания сухой пыли аспирационных систем. Их рекомендуется ис- Таблица 29 Геометрический размер Угол наклона крышки и входного па- трубка циклона а, град Высота входного патрубка ha Высота выхлопной трубы Лт Высота цилиндрической части цикло- на Яц Высота конуса циклона Як Общая высота циклона Н Высота внешней части выхлопной тру- бы /1в Внутренний диаметр пылевьщускного отверстия di Ширина входного патрубка в циклоне Ширина входного патрубка на входе Длина входного патрубка Высота фланца кфЛ Тип циклона ЦН 15 15 0,66 1,74 2,26 2,0 4,56 — _ — — — — ЦН 24 24 1,11 2,11 2,11 1,75 4,26 0,59 0,3—0,4 0,2 0,26 0,6 0,1 цн и 11 0,48 1,56 2,06 2,0 4,38 — —, — —- ■—. —■ Геометрический размер Высота цилиндрической части Я и высота заглубления выхлопной трубы п. Высота конической части Нк Внутренний диаметр выхлопной трубы d Внутренний диаметр пылевыпуск- ного отверстия d\ Ширина входного патрубка b Высота внешней части выхлопной трубы Ав Высота установки фланца Лфл Длина входного патрубка / высота входного патрубка ha Текущий радиус улитки р Т аблица 30 Тип циклона сдк-цн-зз 0,535 3,0 0,334 0,334 0,264 0,2—0,3 0,1 0,6 0,535 /)/2+£ф/2я СК. ЦН 34 0,515 2,11 0,340 0,229 0,214 0,515 од 0,6 0,2—0,6 D/2+b СК ЦН-34м 0,4 2,6 0,22 0,18 0,18 0,3 0,1 0,6 0,4 ф/Я 69
пользовать для предварительной очистки газов и устанавливать перед фильтрами или электрофильтрами. Циклоны ЦН-15 изготавливают в соответствии с ОСТ 26.14- 1385—76 и ОСТ 26.14-1268—75 из углеродистой или низколегиро- ванной стали. Циклоны ЦН-15 и ЦП-2 во взрывоопасном исполне- нии изготавливают в соответствии с ОСТ 24.838.13—73. Конические циклоны НИИОГАЗа серии СК, предназначенные для очистки газов от сажи, обладают повышенной эффективностью по сравнению с циклонами типа ЦН, что достигается за счет боль- шего гидравлического сопротивления циклонов серии СК- Для расчетов циклона НИИОГАЗа необходимы следующие исходные дач ные: объем очищаемого газа Q, м3/с, плотность газа при рабочих условиях р, кг/м3, вязкость газа при рабочей температуре \i, Па-с; дисперсный сост'ч пыли d50 и lg сгч; входная концентрация пыли свх, г/м3, плотность частиц пы. i р,ь кг/м3, требуемая эффективность очистки газа ц Расчет циклонов ведут методом последовательных приближений в след^ i щем порядке 1 Задавшись типом циклона, определяют оптимальную скорость газа ы'О1, в сечении циклона диаметром D по следующим данным Тип на . . . won, м/с цикло- ЦН-24 4,5 ЦН-15 3,5 ЦН-11 3,5 СДК-ЦН-33 СК-ЦН-34 СК-ЦН-34м 2,0 1,7 2,0 2. Вычисляют диаметр циклона D (м) по формуле' D=y4:Q/nW0ll. Полученное значение D округляют до ближайшего типового значения внутрен- него диаметра циклона Если расчетный диаметр циклона превышает его мак- симально допустимое значение, то необходимо применять два или более парал- лельно установленных циклона. 3. По выбранному диаметру циклона находят действительную скорость движения газа в циклоне, м/с w = 4Qj(nnD2), где п — число циклонов. Дей- ствительная скорость в циклоне не должна отклоняться от оптимальной более чем на 15% 4 Определяют коэффициент гидравлического сопротивления одиночного циклона t, = klkitg,m, где ki — поправочный коэффициент на диаметр циклона (табл. 31), к2 — поправочный коэффициент на запыленность газа (табл. 32); £боо — коэффициент гидравлического сопротивления одиночного циклона диамет- ром 500 мм. Значение выбирается из табл 33. Таблица 31 Тип циклона ЦН-11 ЦН-15, ЦН-24 СДК-ЦН-33, СК-ЦН-34, СК-ЦН-34м Значение kt для D, мм 150 0,94 0,85 1,0 200 0,95 0,90 1,0 300 0,96 0,93 1,0 450 0,99 1,0 1,0 500 1,0 1,0 1,0 5. Гидравлическое сопротивление циклона вычисляют по формуле D). 6. Эффективность очистки газа в циклоне: F) 70
где Ф(х)—табличная функция от параметра х, равного: X = lg G) Значения dT5o и lg <тч для каждого типа циклона приведены ниже: Тип цикло- на ЦН-24 ЦН-15 ЦН-11 СДК-ЦН-33 СК-ЦН-34 СК-ЦН-34м мкм 8,5 0,308 4,5 0,352 3,65 0,352 2,31 0,364 1,95 0,308 1,3 0,340 Значения dTso определены по условиям работы типового циклона' DT = 0,6 м; рчт=1930 кг/м3, ц,т = 22,2-10-6 Па-с; шт = 3,5 м/с. Для учета влияния откло- нений условий работы от типовых на величину rfso используют соотношение Таблица 32 Тип циклона ЦН-11 ЦН-15 ЦН-24 СДК-ЦН-33 СК-ЦН-34 СК-ЦН-34М 0 1 1 1 1 1 1 10 0,96 0,93 0,95 0,81 0,98 0,99 Значение 20 0,94 0,92 0,93 0,785 0,947 0,97 fe2 при свх 40 0,92 0,91 0,92 0,78 0,93 0,95 г/м3 80 0,90 0,90 0,90 0,77 0,915 — 120 0,87 0,87 0,87 0,76 0,91 — 150 0,86 0,86 0,745 0,90 рш циклона ЦН-11 ЦН-15 ЦН-24 Значения £5oo при выхлопе в атмосферу 245 155 75 при выхлопе в гидравли нескую сеть 250 163 80 Тип циклона сдк-цн-зз СК-ЦН-34 СК-ЦН-34М т а б л и ц а 32 Значения £5сю при выхлопе в атмосферу 520 1050 при выхлопе в гидравли- ческую сеть 600 1150 2000 Определив по формуле G) значение х, находим параметр Ф по данным: х . . . . : —2,70 —2,0 —1,8 —1,6 —1,4 —1,2 Ф(х) .... —0,0035 0,0228 0,0359 0,0548 0,0808 0,1151 X —1,0 —0,8 —0,6 —0,4 —0,2 Ф(х) .... 0,1587 0,2119 0,2743 0,3446 0,4207 х 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 Ф(х) .... 0,5000 0,5793 0,6554 0,7257 0,7881 0,8413 х 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,7 Ф(х) .... 0,8849 0,9192 0,9452 0,9641 0,9772 0,9965 Затем по формуле F) определяют расчетное значение эффективности очи- РЯки газа циклоном. Если расчетное значение т] окажется меньше необходи- 71
мого по условиям допустимого выброса пыли в атмосферу, то нужно выбра-п Другой тип циклона с большим значением коэффициента гидравлического con ротивления Для ориентировочных расчетов можно пользоваться формулой где индексы 1 и 2 соответствуют двум разным циклонам. Для очистки больших масс газов применяют батарейные цик- лоны, состоящие из большего числа параллельно установленных циклонных элементов. Конструктивно они объединяются в один корпус и имеют общий подвод и отвод газа. Опыт эксплуатации батарейных циклонов показал, что эффективность очистки таки циклонов несколько ниже эффективности отдельных элементо из-за перетока газов между циклонными элементами. Методик расчета батарейных циклонов приведена в работе [30]. Отечес-i венная промышленность [5] выпускает батарейные циклоны тип. БЦ-2, ЦБР-150у и др. шищенныи * газ пыль Рис. 10 Пылеуловитель ротаци- очного типа' / — вентиляторное колесо; 2 — кожух, 3 — пылеприемное отверстие, 4 — вы хлопная труба \пы/1ь Рис. 11. Противопоточный рота- ционный пылеот делитель. / — кожух 2— ротор, 3 —колесо вен- тилятора; 4 — бункер Ротационные пылеуловители относят к аппаратам центробежнс го действия, которые одновременно с перемещением воздуха очи щают его от фракции пыли крупнее 5 мкм. Они обладают большой компактностью, так как вентилятор и пылеуловитель обычно совме- щены в одном агрегате. В результате этого при монтаже и эксплуа- тации таких машин не требуется дополнительных площадей, необ- ходимых для размещения специальных пылеулавливающих уст- ройств при перемещении запыленного потока обыкновенным венти- лятором. Конструктивная схема простейшего пылеуловителя ротационнс го типа представлена на рис. 10. При работе вентиляторного колес 72
I частицы пыли за счет центробежных сил отбрасываются к стенке спиралеобразного кожуха 2 и движутся по ней в направлении вы- хлопного отверстия 3. Газ, обогащенный пылью, через специальное пылеприемное отверстие 3 отводится в пылевой бункер, а очищен- ный газ поступает в выхлопную трубу 4. Для повышения эффективности пылеуловителей такой конст- рукции необходимо увеличивать переносную скорость очищаемого потока в спиральном кожухе (это ведет к резкому повышению гид- равлического сопротивления аппарата) или уменьшать радиус кри- визны спирали кожуха (это снижает его производительность). Такие машины обеспечивают достаточно высокую эффективность очистки воздуха при улавливании сравнительно крупных частиц пыли (свыше 20—40 мкм). Более перспективными пылеотделителями ротационного типа, предназначенными для очистки воздуха от частиц размером >5 мкм, являются ПРП — противопоточные ротационные пылеотде- лители (рис. 11). Пылеотделитель состоит из встроенного в кожух 1 полого ротора 2 с перфорированной поверхностью и колеса венти- лятора 3. Рогор и колесо вентилятора насажены на общий вал. При работе пылеотделителя запыленный воздух поступает внутрь кожу- ха, где закручивается вокруг ротора. В результате вращения пыле- вого потока возникают центробежные силы, под действием которых взвешенные в воздухе частицы пыли стремятся выделиться из него в радиальном направлении. Одновременно на эти частицы в про- тивоположном направлении действуют силы аэродинамического сопротивления. Частицы, центробежная сила, которых больше силы аэродинамического сопротивления, отбрасываются к стенкам кожу- ха и поступают в бункер 4. Очищенный воздух через перфорацию ротора всасывается в вентилятор и затем выводится наружу. Эффективность очистки ПРП зависит от выбранного соотноше- ния центробежной и аэродинамической сил и теоретически может достигать единицы. Величина центробежной силы является функ- цией числа оборотов и диаметра ротора, величина аэродинамиче- ской силы — функцией скорости просасывания воздуха через перфо- рацию ротора, т. е. производительность вентилятора. Исходя из равенства центробежной силы и силы аэродинамиче- ского сопротивления воздуха движению частицы пыли, И. А. Шепе- лев получил формулу для определения производительности ПРП: где рп и рв — плотность пыли и воздуха, кг/м3; d4 — диаметр улав- ливаемых частиц, м; v — коэффициент кинематической вязкости, M2/c; w — окружная скорость, м/с; h = ido2/8R — приведенная шири- на всасывающего отверстия ротора пылеуловителя, м. Величина b—- отношение суммы площадей поперечного сечения отверстий перфо- рации к длине окружности ротора BnR); i — количество отвер- стий, шт.; do — диаметр отверстий, м. 73
Диаметр минимальной улавливаемой частицы пыли в этом слу- чае равен: 20w V р„ ЛЬ Сравнение ПРП с циклонами свидетельствует о преимуществах ротационных пылеуловителей. Так, габаритные размеры циклона в 3—4 раза, а удельные энергозатраты на очистку 1000 м3 газа на 20—40% больше, чем у ПРП при прочих равных условиях. Однако широкое распространение пылеуловители ротационного действия не получили из-за относительной сложности конструкции и процесса эксплуатации по сравнению с другими аппаратами сухой очистки газов от механических загрязнений. Вихревые пылеуловители (ВПУ) также относят к аппаратам очищенный газ {г 6- Вторичный. ■*- газ дторичный *— газ газ Рис. 12. Вихревой пылеуловитель соплового (а) и ло паточного (б) типа центробежного действия. Отличительная особенность ВПУ —высо- кая эффективность очистки газа от тончайших фракций (<3— 5 мкм), что позволяет им в отдельных случаях конкурировать с фильтрами. За рубежом (США, ФРГ) разработано несколько ВПУ с диаметром корпуса от 40 до 2 м, пропускная способность установок от 20 до 315 000 м3/ч. Существуют две конструктивные разновидности ВПУ: сопловой (рис. 12, а) и лопаточный (рис. 12, б) типы. Процесс обеспылива- ния в таком пылеуловителе происходит следующим образом: запы 74
ленный газ поступает в камеру 5 через изогнутый патрубок 4. Для предварительного закручивания запыленного газа в камеру 5 встро- ен лопаточный завихритель типа «розетки».?. В ходе своего движе- ния вверх к выхлопному патрубку 6 газовый поток подвергается действию вытекающих из завихрителя 1 (наклонные сопла в ВПУ соплового типа, наклонные лопатки в ВПУ лопаточного типа) струй вторичного воздуха, которые придают потоку вращательное движение. Под действием центробежных сил, возникающих при закручивании потока, частицы пыли устремляются к его периферии, откуда спиральными струями вторичного потока перемещаются к низу аппарата в кольцевое межтрубное пространство. Безвозврат- ный спуск пыли в бункер обеспечивается подпорной шайбой 3. Вторичный воздух в ходе спирального обтекания потока очищаемого газа постепенно проникает в него. Подача вторичного воздуха кольцевым направляющим аппара- том с наклонными лопатками усложняет конструкцию, но обеспе- чивает более интенсивное закручивание потока газа и, как следст- вие, более высокую экономичность процесса очистки. Так, гидрав- лическое сопротивление ВПУ лопаточного типа у существующих аппаратов на 25% меньше, а остаточная концентрация пыли в 1,75 раза ниже, чем у ВПУ соплового типа. Оптимальное количество вторичного воздуха находится в пре- делах 40—65% от количества очищаемого газа. ВПУ практически сохраняет эффективность очистки газа от пыли при уменьшении его расхода на 50% и увеличении — на 15%. Слабая чувствитель- ность эффективности очистки к расходу запыленного газа объясня- ется тем, что процесс очистки в ВПУ зависит в основном от пара- метров вторичного воздуха. Если последние остаются неизменными, то окружная скорость потока запыленного газа не меняется, что со- храняет постоянной действующую на частицы пыли центробежную силу, определяющую эффективность очистки. Повышение давления вторичного воздуха в ВПУ приводит к увеличению эффективности очистки пыли. Гидравлическое сопротивление и удельный расход энергии ВПУ при этом соответственно возрастают. Оптимальное ра- бочее давление вторичного воздуха для существующих установок 2000—6000 Па. В качестве вторичного потока может быть использован воздух окружающей среды (рис. 13, а), очищенный газ (рис. 13, б) или запыленный газ (рис. 13, в). С экономической точки зрения более выгодно использование загрязненного газа. В этом случае произво- дительность установки повышается на 40—65% без заметного сни- жения эффективности очистки. Менее выгодным считается использо- вание воздуха окружающей среды. В то же время этот вариант себя оправдывает при очистке горячих газов, нуждающихся в пред- варительном охлаждении. Максимальная эффективность очистки Достигается при использовании в качестве вторичного воздуха пе- реработанной части потока очищенного газа (рис. 13, б). В этом 75
случае часть наименее очищенного воздуха (у периферии пото- ка) снова возвращается в ВПУ на доочистку. Минимальный размер частиц, улавливаемых ВПУ, подсчитыва ют по приближенной зависимости: где Н — высота сепарационного объема, м; ю — окружная скорость вращения газа, м/с. d ■в, а 5 Рис. 13. Схемы подвода в ВПУ вторичного потока: а — воздух окружающей среды; б — очищенный газ, в — запыленный газ Гидравлическое сопротивление ВПУ имеет оптимальное в эконо- мическом отношении значение при номинальных расходах запылен ного газа Qv, и вторичного воздуха Qv, . Потери давления газа ч ВПУ, определяющие величину расхода энергии на очистку газа, равны: Д где Qv = Qvi-{-Qv, —суммарный расход, м3/с; Ар] — перепад дав ления между входом и выходом из аппарата; Ар2 — перепад давлс ния вторичного воздуха (перепад давления газа в сопле и на вхол ' в аппарат), Па. Удельный расход энергии существующих ВПУ находится в прс делах 0,4—1,ЗкВт-ч на 1000 м3 воздуха. С увеличением габаритов ВПУ удельный расход энергии и эффективность очистки пыли за- метно снижаются. Эффективность очистки пыли одного из ВПУ медианным диаметром dso = 4O мкм (из них 86% с йч<Ъ мкм) сг ставила 0,96, а удельный расход энергии — 0,45 кВт-ч/1000 м3. Пр производительности (по запыленному газу) порядка 12 000 м3/ гидравлическое сопротивление не превышает 1000 Па. Суммарная эффективность очистки пыли в ВПУ практически i 76
газ очищенный —■ газ зависит от входной концентрации загрязнений в широком диапазо- не ее изменения от 0 до 300 г/м3. В радиальных пылеуловителях (рис. 14) отделение твердых час- тиц от газового потока происходит при совместном действии грави- тационных и инерционных сил. Последние возникают при повороте газового потока на 180° за срезом вход- ной трубы 2. Средняя скорость подъема газа wT в корпусе / обычно не более 1 м/с, при этом для оседающих частиц должно выполняться условие wB>wr, где wB — скорость витания частиц. Эф- фективность очистки газа от частиц раз- мером 25—30 мкм обычно составляет 0,65—0,85. Из-за малой эффективности радиальные пылеуловители не применя- ют для очистки от мелкодисперсной пыли. Для разделения газового потока на очищенный газ и обогащенный пылью газ используют жалюзийный пылеотде- литель (рис. 15). На жалюзийной решет- ке 1 газовый поток расходом Q разделя- ется на два потока расходом Qi и Q2. Обычно Qi=@,8—0,9)Q, a Q2= @,1— —0,2) Q. Отделение частиц пыли от основного газового потока на жалюзийной решетке происходит под действием инерционных сил, возникающих при повороте газового потока на входе в жалюзий- ную решетку, а также за счет эффекта отражения частиц от по- обагащенный пылью газ, Qz газ,й Рис 14. Радиальный пыле- уловитель очищенный газ,в, Рис. 15. Жалюзийчый пылеотделитель верхности решетки при соударении. Обогащенный пылью газовый поток после жалюзийной решетки направляется к циклону, где очищается от частиц, и вновь вводится в трубопровод за жалю- зийной решеткой. Жалюзийные пылеотделители отличаются прос- тотой конструкции и хорошо компонуются в газоходах, обеспечи- вая эффективности очистки 0,8 и более для частиц размером бо- 77
лее 20 мкм. Они применяются для очистки дымовых газов от крупнодисперсной пыли при температуре до 450—600°С. Методи- ка расчета жалюзийных пылеотделителей приведена в работе [30]. § 12. ЭЛЕКТРОФИЛЬТРЫ Электрическая очистка — один из наиболее совершенных видов очистки газов от взвешенных в них частиц пыли и тумана. Этот процесс основан на ударной ионизации газа в зоне коронирующего разряда, передаче заряда ионов частицам примесей и осаждении последних на осадительных и коронирующих электродах. Загрязненные газы, поступающие в электрофильтр, всегда ока- зываются частично ионизованными за счет различных внешних воз- действий (рентгеновских и космических лучей, радиоактивных излучений, нагрева газа и др.), поэтому они способны проводить ток, попадая в пространство между двумя электродами. Сила тока зависит от числа ионов и напряжения между электродами. При увеличении напряжения в движение между электродами вовлекает- пробой корониробание^ икр U Рис. 16. Схема расположения электродов в электрофильтре Рис. 17. Зависимость си- лы тока от напряжения между электродами ся все большее число ионов и сила тока растет до тех пор, пока в движении не окажутся все ионы, имеющиеся в газе. При этом вели- чина силы тока становится постоянной (ток насыщения), несмотря на дальнейший рост напряжения. При некотором достаточно боль- шом напряжении движущиеся ионы и электроны настолько ускоря- ются, что, сталкиваясь с молекулами газа, ионизируют их, превра- щая нейтральные молекулы в положительные ионы и электроны. Образовавшиеся новые ионы и электроны ускоряются электричес- ким полем и, в свою очередь, ионизируют новые молекулы газа. Этот процесс, названный ударной ионизацией газа, протекает устойчиво лишь в неоднородном электрическом поле, характерном для цилиндрического конденсатора (рис. 16). В зазоре между ко- 78
ронирующим 1 и осадительным 2 электродами создается электри- ческое поле убывающей напряженности с силовыми линиями 3, направленными от осадительного к коронирующему электроду или наоборот. Напряжение к электродам подается от выпрямителя 4. Изменение силы тока между электродами по мере роста напря- жения показано на рис. 17. Критическое напряжение UKV на элек- тродах, при котором возникает коронирующий разряд, определяет- ся соотношением где Ri и R2 — радиусы коронирующего и осадительного электродов соответственно, м; Екр — критическая напряженность электрическо- го поля, при которой возникает корона, В/м. Величину £кр определяют по эмпирическим формулам Пика. Для коронирующего электрода положительной полярности £кр= 3,37 (р + 0,0242 )/>7Ж)Ю«, (8) для коронирующего электрода отрицательной полярности ЯКР = 3,04C+0,0311 КЩ) 106. (9) В формулах (8) и (9) р — поправка на плотность газов в рабо- чих условиях, равная (/W + Рг) 293 О Р~ 1,013-105B73+0 ' где рОКр — давление окружающей среды, Па; рг —разрежение или избыточное давление в газоходе, Па; t — температура газов, °С. Формулы Пика получены для воздуха и электрода круглого сече- ния. Коронирующий разряд возникает обычно при высоких напря- жениях, достигающих 50 кВ и более. Аэрозольные частицы, поступающие в зону между коронирую- щим и осадительным электродами, адсорбируют на своей поверх- ности ионы, приобретая электрический заряд, и получают тем са- мым ускорение, направленное в сторону электрода с зарядом про- тивоположного знака. Процесс зарядки частиц зависит от подвиж- ности ионов, траектории движения и времени пребывания частиц в зоне коронирующего заряда Учитывая, чго в воздухе и дымовых газах подвижность отрицательных ионов выше, чем положительных, электрофильтры обычно делают с короной отрицательной полярно- сти. Время зарядки аэрозольных частиц невелико и измеряется до- лями секунды. Необходимо отметить, что частицы, поступающие в электрофильтр, обычно уже имеют небольшой заряд, полученный за счет трения о стенки трубопроводов и оборудования. Этот заряд (трубозаряд) не превышает 5% заряда, получаемого частицей при коронном разряде. Движение заряженных частиц к осадительному электроду про- исходит под действием аэродинамических сил, силы взаимодействия 79
0,4 0,012 0,025 1,0 0,013 0,030 2,0 0,015 0,060i 10,0 0,075 0,50 30,0 0,10 0,60 электрического поля и заряда частицы, силы тяжести и силы давле- ния электрического ветра. Под действием аэродинамических сил частица движется по на- правлению основного потока газа со скоростью шг, близкой к ско- рости газа, которая составляет 0,5—2 м/с. Основной, вызывающей движение частицы к осадительному электроду, является сила взаи- модействия между электрическим полем и зарядом частицы. Рас- четы скорости этого движения гюэ показывают, что ее значение за- висит главным образом от размеров частиц и напряженности элек- трического поля Е. Расчетные значения скорости приведены ниже: Диаметр частиц, мкм .... ауэ, м/с, при £=15-104 В/м . шэ, м/с, при £=30-104 В/м Сила тяжести не оказывает заметного влияния на траекторию движения частиц пыли. За время пребывания в электрофильтре A0—15 с) частицы размером 10 мкм падают всего па 3—5 см, по- этому в расчетах силу тяжести обычно не учитывают. Электрический ветер, возникающий в местах генерации ионов, т. е. у коронирующих электродов, и вызывающий циркуляцию газа в межэлектродном промежутке со скоростью до 0,5—1,0 м/с, обус- ловлен механическим воздействием движущихся ионов на молекулы газа и частиц пыли. Этот ветер оказывает влияние на движение частиц к осадительным электродам и на перемешивание ионов и взвешенных частиц в межэлектродном пространстве. Однако из-за отсутствия методики расчета скорости электрического ветра его влиянием на движение частиц пренебрегают. Таким образом, отрицательно заряженные аэрозольные частицы движутся к осадительному электроду под действием аэродинамиче- ских и электрических сил, а положительно заряженные частицы оседают на отрицательном коронирующем электроде. Ввиду того, что объем внешней зоны коронного разряда во много раз больше объема внутренней, большинство частиц пыли получает заряд отри- цательного знака. Поэтому основная масса пыли осаждается на положительном осадительном электроде и лишь относительно не- большая— на отрицательном коронирующем электроде. Важное значение на процесс осаждения пыли на электродах имеет электрическое сопротивление слоев пыли. По величине элек- трического сопротивления различают. 1) пыли с малым удельным электрическим сопротивлением (<104 Ом-см), которые при соприкосновении с электродом мгно- венно теряют свой заряд и приобретают заряд, соответствующий знаку электрода, после чего между электродом и частицей возника- ет сила отталкивания, стремящаяся вернуть частицу в газовый поток. Противодействует этой силе только сила адгезии и, если она оказы- вается недостаточной, то резко снижается эффективность процесса очистки; 80
2) пыли с удельным электрическим сопротивлением от 104 до 1010 Ом-см хорошо осаждаются на электродах и легко удаляются С них при встряхивании; 3) пыли с удельным электрическим сопротивлением более fO10 Ом-см труднее всего улавливаются в электрофильтрах, так как на электродах частицы разряжаются медленно, что в значительной степени препятствует осаждению новых частиц. В реальных условиях снижение удельного электрического сопро- тивления пыли можно осуществить увлажнением запыленного газа. Теоретическое определение эффективности очистки запыленного ваза в электрофильтрах обычно проводят по формуле Дейча: Г] = 1 _ в""^* , A0) где .FTO — удельная поверхность осадительных электродов, равная отношению поверхности осадительных элементов к расходу очищае- мых газов в м2-с/м3. Из формулы A0) следует, что эффективность ©чистки газа в электрофильтрах возрастает с ростом значения по- казателя степени w3FyA: 3,0 3,7 3,9 4,6 0,95 0,975 0,98 0,99 Конструкцию электрофильтров определяют следующие условия работы состав и свойства очищаемых газов, концентрация и свой- ства взвешенных частиц, параметры газового потока, требуемая эффективность очистки и т. д. В промышленности используют несколько типовых конструкций сухих и мокрых электрофильтров [30], применяемых для очистки технологических выбросов. Сухие электрофильтры типа УГМ (унифицированные горизон- тальные малогабаритные) рекомендуется применять для тонкой очистки газов от пыли различных видов. В корпусе электрофильтра установлены коронирующие и осадительные электроды. Равномер- ный подвод газа к электродам достигается установкой распредели- тельной решетки на входе в фильтр. Периодическая очистка корони- рующих и осадительных электродов производится встряхивающим Механизмом. Технические характеристики электрофильтра типа УГМ приведены в табл. 37. На рис. 18 показана конструктивная схема мокрого электрофильт- ра типа С. В корпусе 3 установлены коронирующие и осадительные Электроды 2, к которым подводится газ через распределительные решетки 1. В верхней части фильтра установлены смолоулавливаю- Щие зонты 4. Уловленная на электродах смола стекает в бункер и через гидрозатвор выводится из аппарата. При загустении смолы аппарат разогревают паром. Технические характеристики электро- фильтров типа С приведены в табл. 37. Для очистки вентиляционных выбросов от различных пылей с (йалой концентрацией загрязнений применяются двухзонные элек- 81
трофильтры типа ФЭ, РИОН и др. Поток воздуха в таком фильтре проходит последовательно зоны ионизации и осаждения, а также противоуносный пористый фильтр. Накопленная пыль периодически смывается водой. Принципиальная схема двухзонного электро- фильтра показана на рис. 19. Загрязненный газ проходит иониза- тор, в состав которого входят положительные / и отрицательные 2 электроды. Ионизатор выполнен так, чтобы при скорости ~2 м/с частицы пыли успели зарядиться, но еще не осели на электроды. Зарядившиеся частицы газовым потоком увлекаются в осадитель, представляющий собой систему пластин-электродов 3 я 4. Заряжен- очищенныи газ Л газ (КМККККККККККК) I—щщ—ТТТГИГГД ■в—в—В" "йкВ Рис. 19 Схема двухзонного элек- трофильтра газ газ очищенный —"газ Рис. 18. Электрофильтр ти- па С Рис. 20. Тумгноуло^итель УУП ные частицы оседают в поле осадителя на пластинах противопо- ложной полярности. Выбором расстояния между пластинами F—7 мм) удается при сравнительно небольшом напряжении меж- ду пластинами G кВ) получить напряженность 80—100 В/м, что достаточно для осаждения частиц субмикронных размеров. Для очистки вентиляционных выбросов от пыли, туманов ми- неральных масел, пластификаторов и т. п. в ЦНИИпромзданий 82
разработаны электрические туманоуловители типа УУП (рис. 20). В корпусе / установлен электрический туманоуловитель 2 типа ФЭ, который питается от источника 4 напряжением 13 кВ. Подвод питания к электродам производится через высоковольтные элек- троизоляторы с клеммами 3. Загрязненный воздух через входной патрубок, распределительную решетку 8 и сетку 7 поступает к ту- маноуловителю, очищается от примесей и, пройдя каплеуловитель 5, подается на выход УУП. Жидкость, отделенная от воздуха, собирается в воронках 6, а затем сливается из УУП через гидро- затворы. УУП сочетают высокую эффективность улавливания примесей с низким гидравлическим сопротивлением. Эксплуатационные характеристики электрофильтров весьма чувствительны к изменению равномерности поля скоростей на вхо- де в фильтр. Для получения высокой эффективности очистки необ- ходимо обеспечить равномерный подвод газа к электрофильтру за счет правильной организации подводящего газового тракта и применения распределительных решеток во входной части электро- фильтра. При использовании электрофильтров для очистки воздуха от аэрозолей горючих веществ необходимо, чтобы максимальная тем- пература аэрозольной смеси была на 20—25°С ниже температуры вспышки улавливаемой жидкости, а возможная максимальная кон- центрация горючей жидкости в аэрозольной смеси — не менее чем на один порядок меньше нижнего концентрационного предела вос- пламенения данной смеси. Это позволяет устранять возможность воспламенения фильтрата в электроуловителе. § 13. ФИЛЬТРЫ Фильтры широко используют для тонкой очистки газовых вы- бросов от примесей. Процесс фильтрования состоит в задержании частиц примесей на пористых перегородках при движении через них дисперсных сред. Принципиальная схема про- цесса фильтрования в пористой пе- регородке показана на рис. 21. Фильтр представляет собой корпус гЕ^ l| очи^е^'^ 1, разделенный пористой перего- родкой (фильтроэлементом) 2 на Две полости. В фильтр поступают рис. 21. Схема процесса фильт- загрязненные газы, которые очища- рования Ются при прохождении фильтроэле- мента. Частицы примесей оседают на входной части пористой пе- регородки и задерживаются в порах, образуя на поверхности пе- регородки слой 3, и таким образом становятся для вновь посту- пающих частиц частью фильтровой перегородки, что увеличивает 83
эффективность очистки фильтра и перепад давления на фильтро- элементе. Осаждение частиц на поверхность пор фильтроэлемента происходит в результате совокупного действия эффекта касания, а также диффузионного, инерционного и гравитационного процессов. Эффект касания возникает при условии соприкосновения час- тиц примесей с поверхностью волокон, зерен или других элементов, образующих поверхность пор. Соприкосновение происходит при ус- ловии, что траектория движения частиц примесей проходит от по- верхности пор на расстоянии не более радиуса частицы. Эффектив- ность очистки касанием цк определяется соотношением характер- ных размеров пор dn и частиц йч. При d4>da наблюдается отсеивание частиц входной поверхностью фильтра (ситовый эффект) с образованием слоя осадка. Процесс осаждения частиц на поверхность пор за счет броунов- ской диффузии обусловлен хаотическим тепловым движением молекул газа, постоянно соударяющихся с частицами примесей. В результате таких соударений частицы смещаются с линий тока и осаждаются на поверхности пор. Чем меньше частицы и меньше скорость их движения, тем эффективнее протекает процесс захвата частиц за счет броуновской диффузии. Экспериментально доказано, что процесс захвата частиц броуновской диффузией становится заметным при d4<0,l мкм и скорости их движения менее 1 м/с. Процесс инерционного осаждения частиц примесей на поверхно- сти пор фильтроэлемента происходит из-за воздействия на части- цы сил инерции, возникающих при отклонении линии тока от пря- молинейного движения. При огибании потоком криволинейной поверхности пор частицы, стремясь сохранить свое прямолинейное движение, сходят с линии тока и касаются поверхности пор. Много- численные исследования показали, что инерционный эффект осаж- дения частиц зависит от величины критерия Стокса и критерия Рейнольдса: ■Чи = У (St. Re), где St=df42t04p4feK/A8dn(Xr) —критерий Стокса; рч — плотность час- тиц; Х0ф — скорость фильтрации; kK — поправка Кенингема—Мил- ликена на увеличение подвижности частиц, размер которых срав- ним со средней длиной свободного пробега /м газовых молекул: tA)?lJd4 при /м = | где М — масса 1 моль газа; RT — газовая постоянная; Т — темпе- ратура газа, К. Значения поправки kK на скольжение приведены ниже: d4l мкм . . . 0,003 0,01 0,03 0,1 0,3 1,0 3,0 10,0 и более Ак 90 24,5 7,9 2,9 1,57 1,16 1,03 1,00 Зависимость эффективности очистки газов за счет инерционного эффекта т]и от числа Стокса, полученная в опытах с захватом час- 84
тиц отдельными волокнами, показана на рис. 22. Эти графики можно использовать для расчета эффективности волокнистых фильтроэлементов. Возникновение режима инерционного осажде- ния частиц на поверхности пор фильтроэлемента характеризуется критическим числом StKp; при Sl<StKp 'Пи:=0. Для условий вязкого обтекания цилиндра при Re = 0,l критическое число Стокса равно 4,3+0,1. Рост числа Рейнольдса газового потока приводит к снижению значений StKP до 0,1—0,2. Инерционный эффект осаждения частиц практически отсутст- вует при движении частиц размером ме- нее 1 мкм со скоростью менее 1 м/с. Процесс гравитационного осаждения частиц на поверхность пор может проис- ходить в результате их оседания со ско- ростью витания. Эффективность очистки за счет этого эффекта Tir для цилиндра, расположенного горизонтально поперек потока, определяется соотношением 0,7 1,0 2 ШМ Рис. 22 Зависимость т]„ от зисла St: Здесь Fr = wB4dng — критерий Фруда, ^Re=I50'Re<a2Re°; 3~ где wB — скорость витания частиц; й?ц — диаметр цилиндра. В реальных фильтрах вследствие малых скоростей витания частиц по сравнению со скоростью фильтрации гравитационный ме- ханизм осаждения частиц не играет заметной роли. Этот эффект становится заметным лишь при фильтрации аэрозоля с частицами диаметром 1 мкм со скоростью менее 0,05 м/с. Общая эффективность очистки газового потока т] с учетом всех рассмотренных процессов осаждения частиц на поверхность пор может быть найдена по формуле 1) = 1 - A - Чк) A - 1л) A - 1н) A - 1г)- При определении общей эффективности очистки газа (или ко- эффициента проскока) на фильтроэлементе необходимо учитывать, что процесссы осаждения частиц на поверхности пор в значитель- ной степени зависят от размера частиц примесей, скорости фильт- рации, величины пор фильтроэлемента, состояния поверхности пор, параметров газового потока и др. Опыты, приведенные на фильтроэлементах из стеклянных волокон размером 1,5 мкм (рис. 23), указывают на экстремальный характер зависимости коэффи- циента проскока К частиц от их размера и скорости фильтрации. Восходящие ветви левой части кривых относятся к области доми- нирующего значения диффузного процесса осаждения, нисходящие ветви относятся к частицам, в осаждении которых все большую роль начинает играть эффект инерционного осаждения. 85
Из рис. 23 видно, что рост скорости фильтрации смещает мак- симум проскока в сторону частиц с меньшим диаметром. Это хо- рошо согласуется с теоретическими представлениями о влиянии скорости фильтрации на диффузный и инерционный процессы осаждения частиц на поверхность пор. Наличие максимумов на кривых свидетельствует о возможном неблагоприятном сочетании параметров процесса фильтрования, свойств фильтроэлемента и примесей, при котором могут возникать условия максимального снижения эффективности процесса очистки. Кроме рассмотренных механизмов оседания частиц на поверх- ность пор большое значение имеют такие процессы, как фильтро- вание частиц слоем осадка, образующегося на входной поверх- ности фильтроэлемента; процесс постепенного закупоривания пор слоем осадка и т. п. Эти процессы нестационарны во все время работы фильтроэлемента. В фильтроэлементах из диэлектрических материалов на про- цессы фильтрования существенно влияет наличие зарядов на по- верхности пор. Так, получившие широкое применение фильтры Петрянова из ультратонких перхлорвиниловых волокон (ФПП), как правило, несут на поверхности волокон заряды, и поэтому в начальной стадии процесса фильт- рования на них достигается высо- кая эффективность очистки аэрозо- лей от примесей. Так, например, при фильтровании запыленного га- за (^ч=0,34 мкм) через свежий ма- териал . ФПП при скорости фильт- рации 0,01 м/с достигается коэффи- циент проскока 0,0001%, а после снятия заряда в тех же условиях 0,1 0,3 0,4 0,5 0,6йц,мкм коэффициент проскока становится Рис. 23. Зависимость коэффици- равным 1Оо/ ента проскока А от размеров час- r n '" Все это существенно затрудняет рр тиц и скорости фильтрации а>ф, см/с: 1 — 0,94; 2 — 0,42; 3 — 0,21, 4 — 0,094 р теоретическое определение эффек- тивности т] очистки фильтроэлемен- тов, на практике г) обычно находят экспериментально. Классификация фильтров основана на типе фильтровой пере- городки, конструкции фильтра и его назначении, тонкости очист- ки и др. По типу перегородки фильтры бывают: с зернистыми слоя- ми (неподвижные свободно насыпанные зернистые материалы, псевдоожиженные слои); с гибкими пористыми перегородками (ткани, войлоки, волокнистые маты, губчатая резина, пенополи- уретан и др); с полужесткими пористыми перегородками (вяза- ные и тканые сетки, прессованные спирали и стружка и др.); с 86
жесткими пористыми перегородками (пористая керамика, пори- стые металлы и др ). Фильтрующие зернистые слои, состоящие из зерен различной формы, используют для очистки газов от крупных примесей. Для очистки газов от пылей механического происхождения (от дро- билок, грохотов, сушилок, мельниц и др.) чаще используют фильт- ры из гравия. Такие фильтры дешевы, просты в эксплуатации и обеспечивают высокую эффективность очистки (до 0,99) газов от крупнодисперсной пыли. Широко используют для изготовления фильтроэлементов раз- личные ткани и войлоки из синтетических волокон, которые обла- дают высокой прочностью, повышенной тепловой и химической стойкостью. Основные свойства некоторых тканей для фильтрова- ния приведены в табл. 34. Дальнейшее совершенствование синте- Ткань Сукно № 2 Нитрон Лавсан Хлорин № 5231 Стеклоткань ТССНФ Толщи на, мм 1,5 1,6 1.4 1,32 0,22 Воздухо- непрони- цаемость при Др = = 49 Па, мэ/(м2 мин) 3 7,5 4,0 7,6 2,7 Термостойкость, °С при дли- тельном воздей ствии 65—85 120 130 65—70 240 при крат- ковремен ном воз действии 90—95 150 160 80—90 315 Т а б л и ца 34 Химическая стой- кость в среде кис лота оп X—У X ох X ще лочи ОП У У—П ох У—П раст- вори- тели X X X У—X ох Примечание. ОХ - ОП — очень плохая. ■очень хорошая; У — удовлетворительная; П — плохая; тических тканей для фильтрования направлено на повышение их термохимических и теплопрочностных свойств с целью использо- вания в системах очистки горючих газов. Находят применение сле- дующие синтетические фильтроткани: лавсановая ткань Л4 арт. 216, 217, 5468, 86013, 86033; стеклоткань ТСФТ-2-0иТСФТ-2-СГФ; нитрон арт. 133. Для тонкой очистки газов от примесей часто применяют не- тканый материал — волокнистый слой с хаотическим расположе- нием волокон. Это войлоки, полученные на специальных иглопро- бивных машинах. Тонкость и эффективность очистки войлоков вы- ше, чем у фильтрующих элементов из тканей, изготовленных из нитей того же диаметра. Используют, иглопробивное фильтро- вальное полотно «Фильтра-330» и «Фильтра-550» из лавсановых волокон; иглопробивное фильтровальное полотно «Фильтра-220» из лавсановых или поливинилхлоридных волокон; полотно нетка- 87
ное клеевое объемное фильтровальное марки ФРНК-ПГ из смеси G5% поливинилхлоридное и 25% лавсановое) волокон; полотно иглопробивное фильтровальное ФНИ-3 из смеси лавсановых F0%) и капроновых D0%) волокон и др. Хорошими фильтрующими свойствами обладают хлопчатобу- мажные и шерстяные ткани: фильтровальное сукно № 2, техниче- ское сукно ЦМ, байка с капроном D0%). Ткани из натуральных волокон повышенной стоимости часто заменяют тканями из синте- тических волокон, поскольку последние более прочны и химиче- ски стойки. Расчет фильтров сводится к определению площади фильтро- вальных элементов, гидравлического сопротивления фильтроваль- ного элемента и фильтра, продолжительности работы фильтра до регенерации фильтровальных элементов и мощности привода вен- тилятора. Исходными данными для расчета являются: объем газа Q, поступающего на очистку, м3/ч; допустимая удельная газовая нагрузка (скорость фильтрации), определяемая из условия дости- жения максимальной эффективности очистки газа и величины до- пустимого гидравлического сопротивления на фильтровальном эле- менте, м3/(м2-мин); входная концентрация пыли, мг/м3; дисперс- ность пыли, характеризуемая значением dso, мкм, и среднеквад- ратичным отклонением о, требуемая эффективность очистки газо- вого потока от пыли Поверхность F (м2) фильтрующего элемента определяется по формуле: F=Q/F0q). Рекомендуемые значения удельной газовой нагрузки q зависят от многих факторов, в том числе от свойств улавливаемой пыли, структуры фильтровального материала, тре- буемой эффективности очистки и др. С достаточной для практи- ческих расчетов точностью удельную газовую нагрузку для рукав- ных фильтров определяют из следующего выражения [13]: где <7н — нормативная газовая нагрузка, зависящая от вида пыли, изменяется в пределах от 0,3 до 6 м3/(м2-мин): для пыли песко- струйных аппаратов — 2,6; для пыли пластмасс, металлических по- рошков— 1,7; для активированного угля, возгонов черных и цвет- ных металлов—1,2 м3/(м2-,мин). Коэффициент d, учитывающий особенности регенерации фильт- ровальных элементов, для регенерации фильтроэлементов из тка- ни импульсной продувкой сжатым газом равен 1; для рукавов из нетканых материалов 1,05—1,1. Коэффициент с2, учитывающий влияние входной концентра- ции пыли на удельную газовую нагрузку, определяют по следую- щим данным- с„х, г/м3 2 5 10 20 40 60 80 100 с2 ....,.,.,,. 1,15 1,04 1 0,96 0,9 0,87 0,85 0,83
Коэффициент с3, учитывающий влияние дисперсного состава пыли, определяют по данным [13], приведенным ниже: d50, мкм <3 3—10 10—50 50—100 > 100 Сз 0,7—0,9 0,9 1 1,1 1,2—1,4 Коэффициент с4, учитывающий влияние температуры очищае- мого газа, находят по данным [13], приведенным ниже: t, °С . . . 20 40 60 80 100 120 140 160 d 1 0,9 0,84 0,78 0,73 0,72 0,72 0,7 Коэффициент с5, учитывающий требования по эффективности очистки газа от пыли, при концентрации пыли в очищенном газе 30 мг/м3 равен 1, при концентрациях пыли, не превышающих 10 мг/м3, равен 0,95 Гидравлическое сопротивление фильтров Ар складывается из сопротивления фильтровальной нерегородки Api и сопротивления корпуса фильтра Ар2. Гидравлическое сопротивление фильтроваль- ной перегородки зависит от структурного строения перегородки, ее толщины, режима фильтрования, от массы и свойств осевшей на перегородке пыли и характеризуется двумя составляющими, по- стоянной Ар/ и переменной Ар/'. Таким образом, Постоянную составляющую гидравлического сопротивления фильтровальной перегородки определяют [13] по формуле Д/>1= lOferfi (G/3600)" > где ц— вязкость воздуха, Па-с; п — показатель степени, зави- сящий от режима фильтрования, для ламинарного режима л=1; kn — коэффициент, характеризующий сопротивление фильтроваль- ной перегородки после регенерации, м-1. Для фильтровальных тканей из лавсана, улавливающих кварцевую пыль с rf5o == 10— —20 мкм, &п=A100—1500) 106, м~]; возгоны сталеплавильных ду- говых печей с с?5о = 2,5—3 мкм kn= B300—2400) 10R, мг1 Для более плотных тканей (например, стеклоткани) на тех же пылях /гп не- обходимо увеличивать в 1,2—1,3 раза. При улавливании тонко- дисперсных пылей с ^5о<1 мкм значение кп значительно возраста- ет и, например, для возгонов кремния с й?5о = О,6 мкм, kn = = A3000—15000) 106 м-1. Значение коэффициентов kM зависят от способа регенерации фильтровальной перегородки. Так, при обратной продувке в по- рах фильтрующего материала остается больше пыли, поэтому зна- чения kn, приведенные выше для регенерации импульсной продув- кой, необходимо увеличивать на 15—25%- Переменная составляющая гидравлического сопротивления фильтровальной перегородки определяется толщиной и структурой пылевого слоя, образующегося на перегородке, а также измене- нием порового пространства перегородки за счет забивания пор 89
частицами пыли. Этот процесс зависит от времени фильтрования и описывается зависимостью кр\ = 10*сAСач"С (?/3600J, (И) где kc — параметр сопротивления слоя пыли, зависящий от меди- анного размера частиц, коэффициента сопротивления £п слоя пы- ли и насыпной плотности рн слоя, &с=£п/(й25орн). Значения параметра kc обычно получают экспериментально [13]. Например, для очистки возгонов сталеплавильных печей с dS0 = 3 мкм &с=80-109 м/кг. В тех случаях, когда экспериментальные данные отсутствуют, величину Ар/' рекомендуется принимать в пределах 250—350 Па для пыли с с?5о>2О мкм и в пределах 600—800 Па для более мелких пылей. Пользуясь формулой A1), по значению Ap"i max можно определить продолжительность фильтровального цикла до регенерации. Гидравлическое сопротивление Ар2 корпуса фильтра определя- ется суммой потерь давления, возникающих при движении потока воздуха в газоходах, местных сопротивлениях, дроссельных за- слонках и т. п. Для расчета гидравлического сопротивления ис- пользуют сведения из гидравлики. Существенное влияние на гид- равлическое сопротивление элементов корпуса фильтра оказыва- ет скорость движения газового потока. Для газоходов рекоменду- ется [11] скорость 13—15 м/с, при наличии грубой пыли с dso^ ^25 мкм—18—20 м/с, для очищенных газов в отводящих пат- рубках— 7—8 м/с. Мощность электродвигателя вентилятора, необходимого для транспортирования газов через пылеулавливающий аппарат, оп- ределяют по формуле E), при этом коэффициент запаса мощно- сти принимается равным 1,1—1,15; КПД передачи мощности от электродвигателя к вентилятору, для клиноременной передачи 0,92—0,95; КПД вентилятора 0,65—0,8. При использовании фильтровальных тканей и войлока в оте- чественных рукавных фильтрах обычно достигаются следующие параметры процесса фильтрования: Входная концентрация пыли, г/м3 20—50 Гидравлическое сопротивление фильтра, кПа 1—3 Удельная газовая нагрузка, м3/(м2-мин), не более 0,3—1,6 Эффективность очистки 0,97—0,99 Пылеемкость фильтроэлементов, г/м2 1200—1300 Для ультратонкой очистки газов используют материалы типа ФП, представляющие собой нанесенные на марлевую подлбжку (или основу из скрепленных между собой более толстых волокон) слои синтетических волокон диаметром 1—2 мкм В качестве по- лимеров для ФП используют перхлорвинил (ФПП), фторполиме- ры (ФПФ) и др. Материалы ФП характеризуются высокими филь- трующими свойствами и малой толщиной (от 0,2 до 1 мм). Этот 90
материал рекомендуется применять для очистки агрессивных га- зов, заменяя при этом марлевую подложку на стойкую в данной среде. Чаще используют перхлорвиниловые волокна, характери- зующиеся влагостойкостью и высокой химической стойкостью в кислотах, щелочах, растворах солей, органических растворителях. Однако термостойкость этих волокон невелика F0—70°С). Аце- татные волокна недостаточно стойки к влаге, кислотам, щелочам, но термостойкость их достигает 150 °С, Пылеемкость материалов типа ФП составляет 50—100 г/м2. Недостатком этих материалов является их низкая прочность. Одним из распространенных фильтрующих материалов слу- жат проволочные сетки, изготовленные из низкоуглеродистых или высоколегированных сталей, меди, латуни, бронзы, никеля и др. Сетки производят в соответствии с ГОСТ 3187^76* и ГОСТ 6613—86. Фильтрующие элементы, выполненные из сеток, могут работать в широком диапазоне температур от 0 до 800 К |в аг- рессивных и неагрессивных средах. Тонкость очистки определя- ется размером ячейки сетки. Уменьшение размеров ячейки повы- шает тонкость очистки, но ведет к повышению ее гидравлическо- го сопротивления. Тонкость очистки современными сетчатыми фильтрующими элементами достигает 15 мкм, однако при значи- тельных перепадах давления на фильтре полотно сетки начинает деформироваться, ячейки теряют форму, что приводит к местно- му увеличению размеров проходных отверстий. Сетчатые фильт- рующие элементы можно изготавливать многослойными Это не- сколько увеличивает тонкость и эффективность очистки, но при- водит к росту гидравлического сопротивления фильтрующего эле- мента пропорционально количеству слоев сеток. Фильтрующие элементы из сеток, обладая некоторыми преимуществами по срав- нению с фильтрующими элементами из тканей и войлока, уступа- ют им по тонкости очистки. Фильтрующие элементы из сеток С120 и С450, изготовленных из стали 12Х18Н10Т, используют в рукавных фильтрах типа ФРОС для очистки газов с температурой до 773 К- Входная кон- центрация пыли до 50 г/м3; гидравлическое сопротивление фильт- ра до 2,5 кПа, удельная газовая нагрузка 0,4—1 м3/(м2-мин). Расчет гидравлического сопротивления фильтрующих элемен- тов из сеток необходимо проводить по формуле D), принимая значение коэффициента гидравлического сопротивления £ по со- отношению C = 72/Re + 1,3, где Re=wnprdn/yir— число Рейнольдса;С== j-f —т—< ^ толщи- на сетки; dn— размер ячеек сетки; q— параметр, равный 1,3 для фильтровых тканых сеток и 1,0 для сеток с квадратными ячей- ками. 91
очищенный газ газ ш продувку Во всех технически развитых странах ведутся работы по соч Данию фильтрующих элементов из пористой керамики и пористых металлов ра3личных типов. Пористым металлическим фильтруй Щим элементам свойственны достаточно высокая прочность и пла- стичность. Б зависимости от марки применяемого материала мож- но обеспечить необходимую коррозионную стойкость, жаростой- кость, окалиностоикость и теплопрочность. Металлические пори- стые фильтроэлементы хорошо сопротивляются резким колеба- ниям температур, они техноло- гичны: свариваются, допускают пайку и механическую обработку на металлорежущих станках. Фильтрующие элементы из пори- стых металлов все больше при- меняют для очистки газов и жид- костей от примесей. Отечествен- ная^ промышленность (Выксун- ский металлургический завод) выпускает опытные партии пори- стых металлов из сеток в соот- ветствии с ТУ 14-1-3231—81 ТУ 14-1-4106-86, ТУ 14-1-4134-86. По конструктивному призна- ку газовые фильтры делят на ру- кавные, ячейковые (рамочные и каркасные) и рулонные. Наибольшее распространение в промышленности для сухой очистки газовых выбросов от примесей имеют рукавные фильт- ры (рис. 24). В корпусе фильтра 2 устанавливается необходимое число рукавов /, во внутреннюю полость которых подается запы- ленный газ от входного патруб- ка 5. Частицы загрязнений за Рис 24 Рукавный фильтр счет ситового и других эффектов левой слой на (между волокнами) остается достаточное количество пыли что 92
обеспечивает высокую эффективность очистки газов в фильтре после его регенерации. Для изготовления рукавов применяют различные ткани, вой- локи и сетки. Производительность фильтра по газу зависит от числа рукавов, объединенных в общий корпус. В крупногабарит- ных фильтрах большой производительности число рукавов может достигать нескольких сотен штук. Одним из условий нормальной работы рукавных фильтров яв- ляется поддержание температуры очищаемых газов по газовому тракту фильтра в определенных пределах. Температура газа на входе в фильтр, с одной стороны, не должна превышать макси- мально допустимую для ткани температуру и, с другой стороны, быть выше температуры точки росы на 15—30°С. Промышлен- ность выпускает серийно рукавные фильтры типа ФРО, ФР и др. [5] Для очистки технологических сдувок и вентиляционного возду- ха от радиоактивных аэрозолей применяют фильтры, снаряженные материалами ФП. Разработан ряд фильтров рамочной конструк- ции типа Д, Д-КЛ (см. табл. 37) и др. Ячейковые фильтры имеют ограниченный срок службы из-за быстрого засорения ячеек фильтрующего элемента и образования слоя осадка на его входной части, что требует частой смены фильтрующих элементов или их периодической очистки от слоя осадка (регенерации). Этот недостаток частично устраняется при использовании рулонных фильтров, которые применяют для очист- ки воздуха с концентрацией примесей не более 10 мг/м3. Для рулонных фильтров используют различные ткани, которые обыч- но не регенерируют. Пылеуловители различных типов, в том числе и электрофильт- ры, применяют при повышенных концентрациях примесей в воз- духе. Фильтры используют для тонкой очистки воздуха с кон- центрациями примесей не более 50 мг/м3, если требуемая тонкая очистка воздуха идет при больших начальных концентрациях при- месей, то очистку ведут в системе последовательно соединенных пылеуловителей и фильтров Во всех системах ультратонкой очистки с фильтрами на ос- нове материала ФП целесообразно применять предфильтры, кото- рые должны полностью улавливать частицы крупнее 1 мкм и снижать концентрацию примесей до 0,5 мг/м3. В предфильтрах в качестве материала обычно используют фильтрующие ткани и вой- локи. § 14. МОКРЫЕ ПЫЛЕУЛОВИТЕЛИ Аппараты мокрой очистки газов имеют широкое распростране- ние, так как характеризуются высокой эффективностью очистки от Мелкодисперсных пылей с d4^@,3—1,0) мкм, а также возмож- 93
ностью очистки от пыли горячих и взрывоопасных газов. Однако мокрые пылеуловители обладают рядом недостатков, ограничи- вающих область их применения: образование в процессе очистки шлама, что требует специальных систем для его переработки; вы- нос влаги в атмосферу и образование отложений в отводящих га- зоходах при охлаждении газов до температуры точки росы; необ- ходимость создания оборотных систем подачи воды в пылеулови- тель. Аппараты мокрой очистки работают по принципу осаждения частиц пыли на поверхность либо капель жидкости, либо пленки жидкости. Осаждение частиц пыли на жидкость происходит под действием сил инерции и броуновского движения. Силы инерции действуют на частицы пыли и. капли жидкости при их сближении. Эти силы зависят от массы капель и частиц, а также от скорости их движения. Частицы пыли малого размера (менее 1 мкм) не обладают достаточной кинетической энергией и при сближении обычно огибают капли и не улавливаются жид- костью. Броуновское движение характерно для частиц малого раз- мера. Для достижения высокой эффективности очистки газа от частиц примесей за счет броуновского движения необходимо уменьшить скорость движения газового потока в аппарате. Кроме этих основных сил на процесс осаждения влияют: тур- булентная диффузия, взаимодействие электрически заряженных частиц, процессы конденсации, испарения и др. Во всех случаях очистки газа в мокрых пылеуловителях важным фактором явля- ется смачиваемость частиц жидкостью (чем лучше смачиваемость, тем эффективнее процесс очистки) Конструктивно мокрые пылеуловители разделяют на скруб- беры Вентури, форсуночные и центробежные скрубберы, аппара- ты ударно инерционного типа, барботажно-пенные аппара- ты и др. Среди аппаратов мокрой очистки с осаждением частиц пыли на поверхность капель на практике более применимы скрубберы Вентури (рис. 25). Основная часть скруббера — сопло Вентури 2, в конфузорную часть которого подводится запыленный поток газа и через центробежные форсунки 1 жидкость на орошение. В кон- фузорной части сопла происходит разгон газа от входной скорости (ш=15—20 м/с) до скорости в узком сечении сопла 30—200 м/с и более. Процесс осаждения частиц пыли на капли жидкости обу- словлен массой жидкости, развитой поверхностью капель и высо- кой относительной скоростью частиц жидкости и пыли в конфу- зорной части сопла. Эффективность очистки в значительной сте- пени зависит от равномерности распределения жидкости по сече- нию конфузорной части сопла. В диффузорной части сопла по- ток тормозится до скорости 15—20 м/с и подается в каплеулови тель 3. Каплеуловитель обычно выполняют в виде прямоточного циклона. 94
Скрубберы Вентури обеспечивают высокую эффективность очистки аэрозолей со средним размером частиц 1—2 мкм при на- чальной концентрации примесей до 100 г/м3. Удельный расход во- ды на орошение при этом составляет 0,1—6,0 л/м3. Характерные размеры труб Вентури круглого сечения обычно составляют: di = = 15—28°; 02 = 6—8°; /,= (rf,—d2)/2tgcti/2; /2 = 0,15d2; /3= (d3— газ 8ода очищенныш газ очищенный газ — 8ода шат Рис. 25. Скруббер Вентури ■ шлам Рис. 26 Коагуляционно-цент- робежный мокрый пылеулови- тель —d2)/2iga2/2. Диаметры db d2 и d3 рассчитывают для конкрет- ных условий очистки воздуха от пыли. Круглые скрубберы Вен- тури применяют до расхода газа 80 000 м3/ч. При больших рас- ходах газа и больших размерах трубы возможности равномерного распределения орошающей жидкости по сечению трубы ухудша- ются, поэтому применяют несколько параллельно работающих круглых труб либо переходят на трубы прямоугольного сечения. Трубы Вентури типа ГВПВ (газопромыватель Вентури прямо- точный, высоконапорный) предназначены для очистки запыленных технологических газов, поступающих с постоянным объемным рас- ходом (см. табл 37). В качестве сепаратора капель в компонов- ке со скруббером Вентури применяют центробежные каплеулови- тели типа КЦТ [5, 17]. Конструктивно центробежный каплеуло- витель типа КЦТ (см табл. 37) представляет собой малогабарит- ный прямоточный циклон с прямоугольным входным патрубком и рабочей частью высотой 1,5Д где D — диаметр циклона. 95
Одним из удачных конструктивных решений совместной ком- поновки скруббера Вентури и каплеуловителя может служить кон- струкция (рис. 26) коагуляционно-центробежного мокрого пыле уловителя (КЦМП). Сопло Вентури 1 установлено в корпусе цик лона 2, а для закручивания воздуха используется специальный за- кручиватель 3. Промышленные КЦМП работают при скоростях в узком сечении трубы Вентури 40—70 м/с, удельных расходах воды на орошение 0,1—0,5 л/м3 и имеют габариты на 30% мень- ше, чем обычные скрубберы Вентури Эффективность очистки воз- духа от кварцевой пыли в КЦМП составляет: d4, мкм 1 5 10 г] 0,70—0,90 0,90—0,98 0,94—0,99 Скрубберы Вентури широко используются в системах очистки газов от туманов. Эффективность очистки воздуха от тумана со средним размером частиц ~0,3 мкм достигает 0,999, что вполне сравнимо с высокоэффективными фильтрами. При расчете скрубберов Вентури определяют гидравлическое сопротивление трубы Вентури где Арс — гидравлическое сопротивление сухой трубы, т. е без подачи жидко- сти на орошение (Apc = £ctt>2iPr/2, где £с— коэффициент гидравлического соп ротивления сухой трубы, wr — скорость газа в горловине, рг — плотность газ^ в горловине); Држ—гидравлическое сопротивление, обусловленное введением жидкости (Др>к = £жшг2рж9ж/2, где £ж — коэффициент гидравлического сопро- тивления трубы, обусловленный вводом жидкости; р/К — плотность жидкости, <?ж — удельный расход жидкости на орошение, £ж — определяют по экспери ментальным формулам) для трубы Вентури круглого сечения при ^ = 0,15 d, а)г = 60—166 м/с и <?ж = 0,4—1,7 л/м3, Сж/Сс = 0,63 [(тж/тг) (Рг/рж)П0'3, где тг и тж — массовые расходы жидкости и газа, г Суммарное гидравлическое сопротивление трубы Вентури составляет 10- 20 кПа Эффективность очистки скруббера Вентури рассчитывают энергетическим методом по формуле где В и п — константы, зависящие от физико-химических свойств и дисперсно го состава пыли, которые определяют экспериментально Примеси В п Конверторная пыль 9,88-Ю 0,4663 Ваграночная пыль 1,355-10~2 0,6210 Мартеновская пыль 1,915-Ю-2 0,5688 Туман фосфорной кислоты 1,34-10^2 0,6312 Суммарную энергию соприкосновения Е определяют по формуле £-= Ар + pxQx/Qr, где рж—давление распыляемой жидкости на входе в пылеуловитель; Q,K i Qr — объемные расходы жидкости и газа соответственно. 96
Разновидностью аппаратов для улавливания пыли осаждени- ем частиц на каплях жидкости являются форсуночные скрубберы (рис. 27, а). Запыленный газовый поток поступает в скруббер по патрубку 3 и направляется на зеркало воды, где осаждаются наи- более крупные частицы пыли. Газовый поток и мелкодисперсная пыль, распределяясь по всему сечению корпуса 1, поднимаются вверх навстречу потоку капель, подаваемых в скруббер через фор- суночные пояса 2. Удельный расход воды в форсуночных скруббе- рах составляет 3,0—6,0 л/м3, гидравлическое сопротивление аппа- рата до 250 Па при скоростях движения потока газа в корпусе скруббера 0,7—1,5 м/с. Общая эффективность очистки, получае- мая на форсуночных скрубберах, невысока и составляет, напри- очщенныи газ \ очищенный газ t Рис. 27. Форсуночный (а) и центробежный (б) скруб- беры мер, 0,6—0,7 при очистке доменного газа. В форсуночных скруб- берах эффективно улавливаются частицы размером >10 мкм. Од- новременно с очисткой газ, проходящий через форсуночный скруб- бер, охлаждается и увлажняется до состояния насыщения. В тех случаях, когда требуется очистка небольших масс горя- чих газов от загрязнений с размером частиц более 15—20 мкм, можно применять простейшие оросительные устройства, которые выполняются в виде ряда форсунок, встроенных в газоход. Удель- ный расход воды в таких системах выбирается равным от 0,1 до 0,3 л/м3. Скорость газового потока в газоходе в целях исключе- ния интенсивного каплеуноса не должна превышать 3 м/с. Для мокрой очистки нетоксичных и невзрывоопасных газов от пыли применяют центробежный скруббер СЦВБ-20 батарейного 4—521 97
типа [5]. Скруббер (рис. 28) компонуют из стандартных циклон- ных элементов /, представляющих собой трубу с завихрителем 2. Орошение аппарата осуществляется водой с помощью форсунки 3, установленной в камере неочищенного газа 4. Перед камерой установлена сетка 5 для улавливания крупных частиц пыли. Цик- лонные элементы нижним концом входят в шламовую камеру 6, а очищенный воздух выводится из аппарата через патрубок 7. Технические характеристики СЦВБ-20 приведены в табл. 37. 151В 960 Рис. 28. Центробежный скруббер СЦВБ-20 98
В аппаратах центробежного типа (см. рис. 27, б) частицы пы- ли отбрасываются на пленку жидкости 2 центробежными силами, возникающими при вращении газового потока в аппарате за счет тангенциального расположения входного патрубка 5 в корпусе ап- парата. Пленка жидкости толщиной не менее 0,3 мм создается подачей воды через сопла 1 и непрерывно стекает вниз, увлекая в бункер 4 частицы пыли. Эффективность очистки газа от пыли в аппаратах такого типа зависит главным образом от диаметра кор- пуса аппарата 3, скорости газа во входном патрубке и дисперсно- сти пыли. В табл. 35 приведены фракционные коэффициенты очистки центробежных скрубберов ЦС-ВТИ [30] диаметром 1 м. С ростом диаметра скруббера эффективность очистки падает. Эффективность очистки возрастает при увеличении высоты кор- пуса до Я=C—4)Д после чего практически остается постоян- ной, поэтому обычно принимают H = 4D. Гидравлическое сопро- тивление определяют по формуле D), принимая 5 = 33—46. Удель- ный расход воды в центробежных скрубберах составляет 0,09— 0,18 л/м3. Входная запыленность газового потока ^20 г/м3. Аппараты ударно-инерционного типа работают по принципу осаждения частиц пыли на поверхности жидкости при повороте на 180° пыле-газового потока, движущегося со скоростью 25—■ 50 м/с. Взвешенные в газе частицы за счет сил инерции после Таблица 35 Скорость газов во входном патрубке, м/с 15,0 21,0 Фракционные коэффициенты 0-0,5 0,655 0,850 0,5—2 0,800 0,903 2-5 0,880 0,928 очистки при скорости 5-10 0,910 0,943 10-15 0,927 0,955 витания частиц', см/с 15-20 0,940 0,967 >20 0,980 0,995 • Скорость витания зависит от размера и плотности частиц. выхода из сопла не успевают за линиями тока и попадают на по- верхность жидкости. Хорошо улавливаются частицы размером бо- лее 20 мкм. Основное преимущество аппаратов ударно-инерцион- ного типа — малый удельный расход воды, который составляет не более 0,03 л/м3 и определяется только испарением и потерями Жидкости со шламом. Эффективность очистки газа в таких аппа- ратах весьма чувствительна к изменению расстояния между сре- зом сопла и зеркалом жидкости. К мокрым пылеуловителям относят барботажно-пенные пыле- уловители с провальной (рис. 29, а) и переливной решетками (рис. 4* 99
29, б). В таких аппаратах газ на очистку поступает под решетку 3, проходит через отверстия в решетке и, барботируя через слой жидкости и пены 2, очищается от части пыли за счет осаждения частиц на внутренней поверхности газовых пузырей. Режим ра- боты аппаратов зависит от скорости, подачи воздуха под решетку При скорости до 1 м/с наблюдается барботажный режим работы аппарата. Дальнейший рост скорости газа в корпусе / аппарата до 2—2,5 м/с сопровождается возникновением пенного слоя над жидкостью, что приводит к повышению эффективности очистк" гч- газ Рис. 29. Барботажно-пенный пылеуловитель с провальной (а) и переливной (б) решетками за и брызгоуноса из аппарата. Современные барботажно-пенные аппараты обеспечивают эффективность очистки газа от мелкодис- персной пыли ~0,95—0,96 при удельных расходах воды 0,4— 0,5 л/м3. Практика эксплуатации барботажно-пенных аппаратов показывает, что они весьма чувствительны к неравномерности по- дачи газа под провальные решетки. Неравномерная подача газа приводит к местному сдуву пленки жидкости с решетки. Кроме того, решетки аппаратов склонны к засорению. § 15. ТУМАНОУЛОВИТЕЛИ Для очистки воздуха от туманов кислот, щелочей, масел и других жидкостей используют волокнистые фильтры, принцип действия которых основан на осаждении капель на поверхности пор с последующим стеканием жидкости под действием сил тя- 100
очищенный газ туман жести. Осаждение капель жидкости происходит под действием всех ранее рассмотренных механизмов отделения частиц загрязни- теля от газовой фазы на фильтроэлементах. Туманоуловители делят на низкоскоростные (Шф^0,15 м/с), в которых преобладает механизм диффузионного осаждения ка- пель, и высокоскоростные (ш)ф = 2—2,5 м/с), где осаждение проис- ходит главным образом под воздействием инерционных сил. Фильтрующий элемент низкоскоростного туманоуловителя по- казан на рис 30 В пространство между двумя цилиндрами 3, из- готовленными из сеток, помещается волокнистый фильтроэлемент 4, который крепится через фланец 2 к корпусу туманоуловителя /. Жидкость, осевшая на фильтре элемента, стекает на нижний фланец 5 и затем через трубку гидрозатво- ра 6 и стакан 7 сливается из фильтра. Во- локнистые низкоскоростные туманоуловите- ли обеспечивают высокую эффективность очистки (до 0,999) газа от частиц разме- ром менее 3 мкм и полностью улавливают частицы большего размера. Волокнистые слои формируются набивкой стекловолокна диаметром от 7 до 30 мкм или полимерных волокон (лавсан, полипропилен) диамет- ром от 12 до 40 мкм. Толщина слоя состав- ляет 5—15 см. Гидравлическое сопротивле- ние сухих фильтроэлементов равно 200—• 1000 Па. Высокоскоростные туманоуловители имеют меньшие габаритные размеры и обе- спечивают эффективность очистки, равную 0,90—0,98 при Др= 1500—2000 Па, от ту- мана с частицами менее 3 мкм. В качестве фильтрующей набивки в таких туманоуло- вителях используют войлоки из полипропи- леновых волокон, которые успешно работа- ют в среде разбавленных и концентриро- ванных кислот (H2SO4, HC1, HF, Н3РО4, HNO3) и сильных щелочей. В тех случаях, когда диаметр капель тумана составляет 0,6—0,7 мкм и менее, Для достижения приемлемой эффективно- сти очистки приходится увеличивать скорость фильтрации до 4,5—5 м/с, что приводит к заметному брызгоуносу с выходной стороны фильтроэлемента (брызгоунос обычно возникает уже при скоростях 1,7—2,5 м/с). Значительно уменьшить брызгоунос мож- но применением брызгоуловителей в конструкции туманоулови- теля. Для улавливания жидких частиц размером более 5 мкм при- 101 Рис 30 Фильтрующий элемент низкоскоростно го туманоуловителя
меняют брызгоуловители из пакетов сеток, где захват частиц жид- кости происходит за счет эффекта касания и инерционных сил Скорость фильтрации в брызгоуловителях не должна превышать 6 м/с. На рис. 31 показана конструкция высокоскоростного волокни- стого туманоуловителя с цилиндрическим фильтрующим элемен- том 3, который представляет собой перфорированный барабан с глухой крышкой. В барабане установлен грубоволокнистый вой- лок 2 толщиной 3—5 мм Вокруг барабана по его внешней стороне располо- жен брызгоуловитель /, представляющий собой набор перфорированных плоских и гофрированных слоев винипластовых лент. Брызгоуловитель и фильтроэлемент нижней частью установлены в слой жидкости. Для очистки аспира- туман Рис. 31. Высокоскоростной туманоулови- тель ционного воздуха ванн хромирования, содержа- щего туман и брызги хро- мовой и серной кислот, применяют волокнистые фильтры типа ФВГ-Т [5]. В корпусе размещена кассета с фильт- рующим материалом — иглопробивным войлоком (ТУ 17-14-77— 79), состоящим из волокон диаметром 70 мкм, толщиной слоя 4—5 мм. Технические характеристики ФВГ-Т приведены в табл. 37. Расчет туманоуловителей. Наибольший эффект отделения ка- пель тумана от газа достигается на двухступенчатых туманоуло- вителях. Первая ступень, состоящая из тонких волокон, обычно работает при скорости фильтрации 0,05—0,2 м/с (низкоскорост- ные туманоуловители) или при скорости 2—2,5 м/с (высокоско- ростные туманоуловители). Вторая ступень — сетчатый брызго- уловитель— для улавливания укрупненных жидких частиц. Расчет туманоуловителей из волокнистых фильтровальных ма- териалов обычно сводится к определению площади фильтрации по известному расходу загрязненного воздуха и рекомендуемой для выбранного материала скорости фильтрации. Приведем значения скоростей фильтрации некоторых фильтровальных материа- лов, применяемых в низкоскоростных туманоуловителях: иглопро- бивной войлок из волокон диаметром 65—70 мкм, 0,2 м/с; игло- пробивной войлок из лавсановых волокон МЧПС диаметром 18— 20 мкм, 0,1—0,15 м/с. 102
Площадь фильтрации определяют по формуле F=Q/w$, где ьУф — скорость фильтрации. При расчете сеточных брызгоуловите- лей оптимальную скорость фильтрации определяют по формуле где рж, рв — соответственно плотность жидкости и воздуха. Для масел ржл*900 кг/м3, поэтому Шфж2,8 м/с. Эффективность очистки от капель в сеточном пакете рассчи- тывают по формуле ■=1—1 — где h — толщина пакета, м; SyA — удельная поверхность проволо- ки в пакете сеток, м2/м3; N — число сеток в пакете, шт.; т]' — эф- фективность очистки воздуха от капель определенного размера (фракционная очистка) одной сеткой. Толщину пакета сеток выбирают в пределах 100—200 мм, а удельную поверхность проволоки в пакете сетки вычисляют по формуле где П — пористость пакета сеток, выбираемая в пределах 0,85— 0,95; dup— диаметр проволоки сетки, обычно dnp — A00 — 200) Ю-6 м. Фракционная очистка т/ одной сеткой зависит от режима фильт- рования, свойств фильтруемой ере- ды, размера фракции, характери- стик сетки. Ее значение для условий фильтрования при атмосферном давлении удобно определять гра- фически (рис. 32). Для этого необ- ходимо предварительно вычислить величину критерия Стокса по фор- муле St = ф st Рис. 32. Зависимость фракцион- ной эффективности очистки ц' от критерия Стокса где d4 — диаметр, капель, м. Суммарную эффективность очистки определяют по формуле где фг—фракционная доля i-й фракции; tj,-— эффективноость очистки тумана от капель диаметром d4, j. В табл. 36 приведены сравнительные характеристики тумано- уловителей различных типов. 103
Мощность двигателя вентилятора, необходимого для транспор- тирования тумана через аппарат очистки, вычисляют по значени- ям Q и Ар, при этом гидравлическое сопротивление аппарата можно принимать по рекомендациям табл. 36 или рассчитывать по формулам, см. [30]. Таблица 36 Тип тумано- уловителя Низкоскоро- стные Высокоскоро- стные Сетчатые па- кеты Скорость фильтрации, м/с 0,01—0,1 1-10 2,5—4,5 Гидравличе- ское сопро- тивление, кПа 0,5—5 1,5—8 0,2—1 Эффективность очистки частиц разме ром, мм до 1 . 0,92—0,99 0,50—0,85 0,20—0,40 1—3 0,96—1 0,85-0,97 0,70—0,90 3—10 1 0,95—1 0,90—0,98 Пулеуловители и туманоуловители, рекомендуемые для очист- ки вентиляционных и технологических выбросов машиностроитель- ных и приборостроительных предприятий в атмосферу, приведены в табл. 37. § 16. ОЧИСТКА ВЫБРОСОВ ОТ ГАЗО- И ПАРООБРАЗНЫХ ЗАГРЯЗНИТЕЛЕЙ Процессы очистки и обезвреживания технологических и вен- тиляционных выбросов машиностроительных предприятий от га- зо- и парообразных примесей характеризуются тем, что, во-пер- вых, газы, выбрасываемые в атмосферу, весьма разнообразны по химическому составу; во-вторых, они имеют подчас достаточно высокую температуру и содержат большое количество пыли, что существенно затрудняет процесс газоочистки и требует предвари- тельной подготовки отходящих газов; в-третьих, концентрация га- зообразных и парообразных примесей чаще в вентиляционных и реже в технологических выбросах обычно переменна и низка. Создаваемые в промышленности газоочистные установки поз- воляют обезвреживать технологические и вентиляционные выб- росы без или с последующей утилизацией уловленных примесей. Первый тип аппаратов характеризуется санитарными ограниче- ниями, связанными с процессами удаления, транспортировки и захоронения уловленного продукта. Аппараты с выделением про- дукта в концентрированном виде и дальнейшем использовании его для нужд народного хозяйства наиболее перспективны. Производ- ство таких установок — важный этап в разработке малоотходной и безотходной технологии. 104
к ч t Ю о g-o n g_ з 3 о. ю о я (. О . й о ш и о й га К s- а, о я Я s jo Я о о о ° к га >-, J Я пас о о Я О. ю к 2 с га- си а о W О сч [_■ CQ оро н я О- <и ж и о о- s^ я . m Ь f4 о п о ш и S о U «3 о я ш S о к о ш ю Я п §§ со ГО я S Ч g g о ч ш О о X О о о о ю о о S S >% 2 а, 00 II О" У, ю (Л о" о. со 00 || о" '1 СП 5 т 3 00 со ю о 1/3 ел я с * ч о . D3 U EU g ч <1> CU § f о" 1 -ф о 5 3 О О о га к га -2 ч g.2 ч о о со и а = я S С > С со X и рей га я РЭ О 1 Ы 3 к я я S 105
fe I о <u я ч о. о о о сз со. СП О га к К О «J К га л ми i- о 3 я к я ч с я § ь к я н га s я ег о S д о « о Н ч а я ь я о о га 2 2 О §3 о с К в* о к я льтра я о я я я ш га га о. о ч 3 н s ою са о а. VO 3 п я 3 актив о о о о а« са я еских и. 3 Я X сичны X о g в S >. и Ч s а и ь 5о.й Ой» о «СП о 00 о Л -—. я о к га « ч^- m я >* « я g а о. а> я 'сво _ Н ;чсо 3 см s S S: • 8° о" о 4 о" СП ст> о" С35 о" &I CD СО О СГ) О ю о с* ю го" 8 ю о" ю о о со f о' о о" о СМ =(-1 .Ом 3 я са о а <; 106 §2
о о о. : з й к с о ю -1 •& О со •е-Я о ш \О о £ Я га си К vo о Высокоэ СЧ S*2 Э1 0J О О ч * ч я о О, ч лш о я к о. cog . к я gsg к й Й га л -о О >, СО S М ct О) со О я о о. 2 к п я я s IS g s !•&■ О о * К X „ <-, я иг « ■ СП 3 Я СО S О. С X X VO к «з те ^tj Ч О, cq О ai О Щеп 3 = 2 фектив- ность чистки Я.' 2 I- < !•§& о о со те -д аи 5 «««.. о о о о о О) CD о" I TO со Я к § о я о, к 3 о о Ч со sj|3 Г о <и о f о" о оо Y о со ж§ о ж g ё« 5 2 S к s с; vo >. vo^N о ^ СО CuLh О q_O U N сг-г си ^ •—i \о oU о. о «(-. 107
Методы очистки промышленных выбросов от газообразных за- грязнителей по характеру протекания физико-химических процес- сов делят на пять основных групп промывка выбросов раствори- телями примесей (абсорбция); промывка выбросов растворами реагентов, связывающих примеси химически (хемосорбция); пог- лощение газообразных примесей твердыми активными веществами (адсорбция); термическая нейтрализация отходящих газов и по- глощение примесей путем применения каталитического превра- щения. Метод абсорбции. В технике очистки газовых выбросов про- цесс абсорбции часто называют скрубберным процессом. Очистка газовых выбросов методом абсорбции заключается в разделении газовоздушной смеси на составные части путем поглощения одно- го или нескольких газовых компонентов (абсорбатов) этой смеси жидким поглотителем (абсорбентом) с образованием раствора. Движущей силой здесь является градиент концентрации на гра- нице фаз газ — жидкость. Растворенный в жидкости компонент газовоздушной смеси (абсорбат) благодар-я диффузии проникает во внутренние слои абсорбента. Процесс протекает тем быстрее, чем больше поверхность раздела фаз, турбулентность потоков и коэффициенты диффузии, т е. в процессе проектирования абсор- беров особое внимание следует уделять организации контакта га зового потока с жидким растворителем и выбору поглощающей жидкости (абсорбента). Решающим условием при выборе абсорбента является раство римость в нем извлекаемого компонента и ее зависимость от тем пературы и давления. Если растворимость газов при 0°С и пар циальном давлении 101,3 кПа составляет сотни граммов на 1 к: растворителя, то такие газы называют хорошо растворимыми. Для удаления из технологических выбросов таких газов, как аммиак, хлористый или фтористый водород, целесообразно при- менять в качестве поглотительной жидкости воду, так как раст- воримость их в воде составляет сотни граммов на 1 кг Н2О. При поглощении же из газов сернистого ангидрида или хлора расход воды будет значительным, так как растворимость их составляет сотые доли грамма на 1 кг воды. В некоторых специальных слу- чаях вместо воды применяют водные растворы таких химических веществ, как сернистая кислота (для улавливания водяных па- ров), вязкие масла (для улавливания ароматических углеводо- родов из коксового газа) и др. Организация контакта газового потока с жидким растворите- лем осуществляется либо пропусканием газа через насадочную колонну, либо распылением жидкости, либо барботажем газа че- рез слой абсорбирующей жидкости В зависимости от реализуе- мого способа контакта газ — жидкость различают: насадочные башни: форсуночные и центробежные скрубберы (см. рис. 27). 108
скрубберы Вентури (см. рис. 25); барботажно-пенные (см. рис. 29), тарельчатые и другие скрубберы. Общее устройство противопоточной насадочной башни приве- дено на рис. 33. Загрязненный газ входит в нижнюю часть башни, а очищенный покидает ее через верхнюю часть, куда при помощи одного или нескольких разбрызгивателей 2 вводят чистый погло- титель, а из нижней отбирают отработанный раствор. Очищенный газ обычно сбрасывают в атмосферу. Жидкость, покидающую абсорбер, подвергают регенерации, десорбируя загрязняющее вещество, и возвра- щают в процесс или выводят в качестве отхода (побочного продукта). Химически инертная на- садка /, заполняющая внутреннюю полость ко- лонны, предназначена для увеличения поверх- ности жидкости, растекающейся по ней в виде пленки. В качестве насадки используют тела разной геометрической формы, каждая из кото- рых характеризуется собственной удельной по- верхностью и сопротивлением движению газово- го потока. Типичные формы насадок показаны на рис. 34. Материалы для изготовления наса- док (керамика, фарфор, пластмассы, металлы) выбираются исходя из соображений антикорро- зионной устойчивости. Большое распространение получили башни с колпачковыми тарелками. На рис. 35 изображе- на схема устройства тарельчатого абсорбера, в котором вместо насадки установлено несколько тарелок /. Каждая тарелка снаб- жена колпачками 2 с зубчатыми краями, патрубками 3 и перелив- ными трубками 4. Аб- сорбент в этих аппара- тах стекает от тарелки к тарелке по перелив- ным вертикальным трубкам. Очищаемый газ движется снизу вверх в направлении, указанном стрелками, барботируя через слой жидкости. При про- хождении между зуб- цами колпачков газ разбивается на множе- ство струек и пузырьков, в результате чего образуется большая поверхность соприкосновения взаимодействующих веществ. Иног- да вместо колпачковых тарелок применяют перфорированные пла- стины с большим количеством мелких отверстий (диаметр 109 Рис 33. Орошае- мая противопо- точная насадоч- ная башня Рис 34 Формы стандартных элементов насадки' 1 — седло Берля, 2 — кольцо Рашига, 3 — кольцо Палля 4 — розетка Теллера; 5 — седло «Инталокс»
~6 мм), которые создают пузырьки газа одинаковой формы и размера. Более мелкие отверстия затрудняют стекание промывной жидкости особенно при значительных расходах га'за. Применение абсорбированных методов очистки, как правило, связано с использованием схем, включающих узлы абсорбции и десорбции. Десорбцию растворенного газа (или регенерация ра- створителя) проводят либо снижением общего давления (или парциального давления) примеси, либо повышением температуры, либо использованием обо- их приемов одновременно. Расчет абсорбера состоит в опреде- лении объемного расхода поглотитель- ной жидкости Q3, необходимой поверх- ности F соприкосновения газа с жидко- стью и параметров вспомогательной ап- Рис. 35. Схема колпач- паратуры (мощность насосов, размер ба- ково-тарельчатого абсор- ков и Т. П.). беРа Объемный расход поглотительной жидкости рассчитывают из уравнения материального баланса процесса абсорбции — масса поглощаемо- го компонента т, которая удалена из очищаемого газа, должна быть равна массе этого компонента, которая перешла в жидкость: m = QT ((/! — У2) = Qa С*2 — -*l), где Qr — объемный расход очищаемого газа, м3/с; Х\ и Хч— на- чальная и конечная концентрации газового компонента и погло- тительной жидкости, г/м3; уг и уг — начальная и конечная кон- центрации поглощаемого газообразного компонента в очищаемом газе, г/м3. Необходимую поверхность соприкосновения газа с жидкостью находят по формуле F= №m/(ka\pcp), где ka — коэффициент абсорбции (коэффициент массопередачи), кг/(м2-ч-Па); АрсР — средняя движущая сила абсорбции, Па. Коэффициент абсорбции характеризует скорость растворения газового компонента в жидкости и определяется общим сопротив- лением диффузии этого компонента через газовую и жидкостную пленки. Для хорошо растворимых газов значение коэффициента абсорбции можно определить по формуле, предложенной И. Л. Пейсаховым: 53,7- \Т — 0,18H'25 где М — молярная масса поглощаемого компонента, кг; w — ско- рость газа в свободном сечении скруббера, м/с; Т—абсолютная ПО
температура газа, К; d3KS — эквивалентный диаметр насадки, рав- ный учетверенному значению живого сечения насадки, деленного на ее удельную поверхность, м. Движущая сила абсорбции равна' разности парциальных дав- лений поглощаемого компонента в газовой фазе и равновесного парциального давления этого компонента над поглотительной жид- костью. Для подсчета средней движущей силы абсорбции следу- ет найти среднеарифметическое значение движущей силы абсорб- ции исходя из ее значения на входе и выходе из аппарата. Если эти значения отличаются более чем в два раза, то ЛрСр следует подсчитывать как среднюю логарифмическую величину: In [(р'г-ря)/(рг-ря)] ' где р/ и рт" — соответственно парциальное давление поглощаемо- го компонента в газовой фазе на входе и выходе из аппарата; Рж и рж" — соответственно парциальное равновесное давление по- глощаемого компонента над жидкостью на входе и выходе из ап- парата. Следует иметь в виду, что при противотоке (газ и жидкость движутся навстречу друг другу) значение АрСр больше, чем при прямотоке (газ и жидкость движутся в одну сторону). Следова- тельно, противоток выгоднее, так как для его осуществления тре- буется аппаратура меньшего размера. Прямоток целесообразно применять, когда равновесное давление поглощаемого компонента над жидкостью очень невелико и почти не увеличивается по мере растворения газового компонента. Обычно это осуществляется в тех случаях, когда растворяемый компонент газа вступает в ре- акции с жидкостью или ее компонентами (хемосорбция). Прямо- ток особенно неэффективен для плохо растворимых газов. Метод хемосорбции. Основан на поглощении газов и паров твердыми или жидкими поглотителями с образованием малоле- тучих или малорастворимых химических соединений. Поглотитель- ная способность хемосорбента почти не зависит от давления, по- этому хемосорбция более выгодна при небольшой концентрации вредностей в отходящих газах. Большинство реакций, протекаю- щих в процессе хемосорбции, являются экзотермическими и об- ратимыми, поэтому при повышении температуры раствора обра- зующееся химическое соединение разлагается с выделением ис- ходных элементов. На этом принципе основан механизм десорб- ции хемосорбента. Примером хемосорбции может служить очистка газовоздуш- Вой смеси от сероводорода с применением мышьяковощелочного, этаноламинового и других растворов. При мышьяковощелочном методе извлекаемый из отходящего газа сереводород связывается оксисульфомышьяковой солью, находящейся в водном растворе: Ш
H2S = Na4As2S8O Регенерацию раствора производят окислением кислорода, содер- жащегося в очищаемом воздухе: V2O2 = Na4As2S5O2 -f S2 В этом случае в качестве побочного продукта получается сера. Основным видом аппаратуры для реализации процессов хемо- сорбции служат насадочные башни, пенные и барботажные скруб- беры, распылительные аппараты типа труб Вентури и аппараты с различными механическими распылителями. В промышленности распространены аппараты с подвижной насадкой, к достоинствам которых относятся высокая эффективность разделения при уме- ренном гидравлическом сопротивлении, а также большая пропуск- ная способность по газу. На рис. 36 показана принципиальная схема скруббера с по- движной насадкой. В верхней части аппарата установлен ороси- тель-/, а под ним размещены верхняя 2 и нижняя опорная 5 Ограничительные решет- ки, между которыми находится подвижная насадка. К опорной решетке меньшим ос- нованием прикреплен расширяющийся усе- ченный кольцевой элемент 4, делящий про- странство опорной решетки на кольцевую 3 и центральную 6 зоны. В качестве наса- дочных тел используют полые, сплошные и перфорированные шары, а также кольца, полукольца, кубики, скрещенные сплошные и перфорированные диски. Обрабатываемый газ подается в аппа- рат под опорную решетку и делится на два потока: центральный и кольцевой. При про- хождении кольцевой зоны поток газа сужа- ется, увеличивает скорость движения, всту- пает в контакт с прижимаемыми к стенке элементами подвижной насадки и переме- щает их от стенки в центральный поток. Насадка совершает пуль- сационное движение в центральном и прилегающем к стенке ап- парата потоках, турбулизирует взаимодействующие фазы и обе- спечивает высокую эффективность обработки газа жидкостью. В тех случаях, когда в результате процесса выпадает осадок, по- движная насадка удаляет его со стенок корпуса аппарата или опорной решетки. Хемосорбция— один из распространенных способов очистки отходящих газов от оксидов азота. На Синарском трубном за- воде (г. Каменск-Уральский) работает установка очистки газов от оксидов азота, выделяющихся из ванн травления, с помощью из- 112 »■ Спив Рис. 36. Скруббер с под- вижной насадкой
весткового раствора. Установка состоит из четырех параллельно работающих автономных линий газоочистки, одна из которых яв- ляется резервной. В состав каждой линии входит скруббер Вен- тури с форсуночным орошением газов раствором извести. Газы травильных ванн, содержащие оксиды азота, пары серной, соля- ной и плавиковой кислот, отсасываются из общего борова вен- тиляторами и направляются в скрубберы, где они контактируют с раствором извести, и нейтрализуются. Очищенный газ поступает в центробежный каплеуловитель и выбрасывается в атмосферу. Эф- фективность очистки от оксидов азота составляет 0,17—0,86 и от паров кислот — 0,95. Стоимость приведенных затрат на очистку 1000 м3 газа составляет 3,5 коп. Методы абсорбции и хемосорбции, применяемые для 'очистки промышленных выбросов, называют мокрыми. Преимущество аб- сорбционных методов заключается в экономичности очистки боль- шого количества газов и осуществлении непрерывных технологи- ческих 'процессов. Эффективность мокрой очистки газов, отходя- щих от гальванических ванн с помощью щелевого скруббера ПВМ при обезвреживании их 2—3%-ным водным раствором едкой ще- лочи, составляет по хлороводороду 0,85—0,92 и по оксидам азо- та (NO2) 0,65. При использовании в качестве поглотительной жид- кости воды эффективность очистки по НС1 снижается до 0,75. Основной недостаток мокрых методов состоит в том, что пе- ред очисткой и после ее осуществления сильно понижается темпе- ратура газов, что приводит в конечном итоге к снижению эффек- тивности рассеивания остаточных газов в атмосфере. Кроме того, оборудование- мокрых методов очистки громоздко и требует соз- дания системы жидкостного орошения. В процессе работы аб- сорбционных аппаратов образуется большое количество отходов, представляющих смесь пыли, растворителя и продуктов поглоще- ния. В связи с этим возникают проблемы обезжиривания, транс- портировки или утилизации шлама, что удорожает и осложняет эксплуатацию. Метод адсорбции. Основан на физических свойствах некоторых твердых тел с ультрамикроскопической структурой селективно из- влекать и концентрировать на своей поверхности отдельные ком- поненты из газовой смеси. В пористых телах с капиллярной струк- турой поверхностное поглощение дополняется капиллярной кон- денсацией. Адсорбция подразделяется на физическую адсорбцию и хемо- сорбцию. При физической адсорбции молекулы газа прилипают к поверхности твердого тела под действием межмолекулярных сил притяжения (силы Ван-дер-Ваальса). Высвобождающаяся при этом теплота зависит от силы притяжения и по порядку значения (как правило, они находятся в пределах от 2 до 20 кДж/моль) совпадает с теплотой конденсации паров. Преимущество физиче- ской адсорбции — обратимость процесса. При уменьшении давле- Ш
ния адсорбата в потоке газа либо при увеличении температуры поглощенный газ легко десорбируется без изменения химического состава. Обратимость данного процесса исключительно важна, ес- ли экономически выгодно рекуперировать адсорбируемый газ или адсорбент. В основе хемосорбции лежит химическое взаимодействие меж- ду адсорбатом и адсорбируемым веществом. Действующие при этом силы сцепления значительно больше, чем при физической ад- сорбции соответственно и высвобождающаяся при хемосорбции теплота существенно больше и по порядку значения (от 20 до 400 кДж/моль) совпадает с теплотой реакции. Ввиду большой теплоты адсорбции энергия, необходимая для взаимодействия хе- мосорбированной молекулы с молекулой другого сорта, может быть существенно меньше энергии, необходимой для реакции мо- лекул двух различных видов непосредственно в газовой фазе, т. е. поверхность твердого вещества может оказаться катализатором, увеличивающим скорость некоторых химических реакций. Процесс хемосорбции, как правило, необратим: при десорбции меняется хи- мический состав адсорбата. Поэтому если желательна регенера- ция адсорбента или рекуперация адсорбата, то адсорбирующую среду следует выбирать таким образом, чтобы преобладали про- цессы физической адсорбции. В качестве адсорбентов или поглотителей применяют вещест- ва, имеющие большую площадь поверхности на единицу массы. Так, удельная поверхность активированных углей достигает 105— 106 м2/кг. Их применяют для очистки газов от органических па- ров, удаления неприятных запахов и газообразных примесей, со- держащихся в незначительных количествах в промышленных вы- бросах, а также летучих растворителей и целого ряда других га- зов. В качестве адсорбентов применяют также простые и комп- лексные оксиды (активированный глинозем, силикагель, активи- рованный оксид алюминия, синтетические цеолиты или молекуляр- ные сита), которые обладают большей селективной способностью, чем активированные угли. Однако их нельзя использовать для очистки очень влажных газов. Некоторые адсорбенты иногда про- питывают соответствующими реактивами, повышающими эффек- тивность адсорбции, так как на поверхности адсорбента происхо- дит хемосорбция. Одним из основных параметров при выборе адсорбента явля- ется адсорбционная способность по извлекаемому компоненту. Ад- сорбционная способность, или масса вещества а, поглощенная еди- ницей массы адсорбента в произвольный момент времени, зави- сит от концентрации адсорбируемого вещества (парциального дав- ления р, Па) у поверхности адсорбента, общей площади этой по- верхности, физических, химических и электрических свойств ад- cupu..jjYC-.:r,"T °°"т^тва и адсорбента, температурных условий и присутствия других примесей. 114
В качестве характеристики адсорбционных свойств пористых тел используют зависимость адсорбционной способности от пар- циального давления поглощаемого газового компонента при по- стоянной- температуре (изотерма адсорбции): а = f (р) при Т = const. На рис. 37 изображены наиболее часто встречающиеся типы изотерм адсорбции. Во всех случаях адсорбционная способность сорбента возрастает при повышении давлений адсорбата, но ха- рактер этого роста различен. Выпуклая изотерма / специфична для адсорбции на мелкодисперсных сорбентах, применяемых для очистки газовой смеси при малом парциальном давлении извле- каемых примесей и для осушки. Изотерма 2 типична для непори- а,[мг/г] 150 SO, Рис. 37. • Изотермы ад- сорбции BBJ5 199,5 332Р.П0. Рис. 38 Изотермы адсорб- ции SO2 на активирован- ном угле СК.Т при различ- ных температурах, "О / — 20, 2 — 50; 3 — 100; 4 — ISO стых адсорбентов при полимолекулярной физической адсорбции. Изотерма 3 наблюдается на адсорбентах с развитой системой крупных и средних пор. Эти сорбенты целесообразно применять для извлечения летучих газов при парциальном давлении, близ- ком к давлению насыщения. В основе инженерно-технического расчета адсорбционного ме- тода очистки должна находиться сетка кривых, отражающая рав- новесие поглощаемого компонента с адсорбентом, т. е. сетка изо- терм адсорбции. На рис. 38 представлены изотермы адсорбции SO2 на активированном угле СКТ в диапазоне температур от 20 до 150°С. Как видно, с увеличением температуры происходит сни- жение адсорбционной способности активированного угля. На этом свойстве адсорбентов основан процесс их регенерации. Регенера- цию осуществляют либо нагревом насыщенного адсорбента до температуры, превышающей рабочую, либо продувкой его паром или горячим газом. 115
Конструктивно алсорберы (рис 39) выполняются в виде вер- тикальных, горизонтальных либо кольцевых емкостей, заполнен- ных пористым адсорбентом, через который фильтруется поток очищаемого газа. Выбор конструкции определяется скоростью га- зовой смеси, размером частиц адсорбента, требуемой степенью очистки и рядом других факторов. Вертикальные адсорберы, как правило, применяют при небольших объемах очищаемого газа; горизонтальные и кольцевые при высокой производительности, до- стигающей десятков и сотен тысяч м3/ч. Фильтрация газа происходит через неподвижный (адсорберы периодического действия) или движущийся слой адсорбента. Наи- более распространены адсорберы периодического действия, в ко- торых период контактирования очищаемого газа с твердым ад- сорбентом чередуется с периодом регенерации адсорбента. Установки периодического действия (с неподвижным слоем ад- сорбента) отличаются конструктивной простотой, но имеют низкие допускаемые скорости газового потока и, следовательно, повы- шенную металлоемкость и громоздкость Процесс очистки в таких аппаратах имеет периодический характер, т е. отработанный, по- терявший активность поглотитель время от времени заменяют либо регенерируют. Существенный недостаток таких аппаратов — и / 5 - Рис 39 Конструктивные схемы адсорберов1 а — вертикальный, б — горизонтальный; в — кольцевой, / — адсорбер, 2 — слой активирован- ного угля; 3 — центральная труба для подачи паровоздушной смеси при адсорбции; 4 — бар- ботер для подачи острого пара при десорбции, 5 — труба для выхода инертных по отно- шению к поглотителю газов при адсорбции, 6 — труба для выхода пара при десорбции большие энергетические затраты, связанные с преодолением гид- равлического сопротивления слоя адсорбента. Движение адсорбента в плотном слое под действием силы тя- жести или в восходящем потоке очищаемого воздуха обеспечива- ет непрерывность работы установки, что позволяет полнее ис- пользовать адсорбционную способность сорбента, организовать 116
8 шпмоареру воздух в \ топку \ воздух процесс десорбции, а также упростить условия эксплуатации обо- рудования. В качестве недостатка этих методов следует отметить значительные потери адсорбента за счет ударов частиц друг о друга и истирания о стенки аппарата. На рис. 40 представлена схема адсорбционной установки для удаления SO2 из горячего топочного газа Основным агрегатом установки служит адсорбер /, который заполнен древесным акти- вированным углем. Горячий топочный газ проходит теплообмен- ник 2, подогревает воздух, поступаю- щий в топку, и подается в нижнюю часть адсорбера, где при температу- ре 15G—200°-С происходит улавлива- ние SO2. Очищенный дымовой газ вы- брасывается в атмосферу через дымо- вую трубу. Адсорбент после насыще- ния переводится в десорбер 5, где с помощью подогревателя 3 поддержи- вается температура 300—600°С Бо- гатый оксидом серы газ выводится из десорбера и может быть полезно ис- пользовал Регенерированный адсор- бент поступает в бункер 4 и затем с помощью ковшового элеватора посту- пает в верхнюю часть адсорбера. При проектировании адсорбера ис- пользуют следующие исходные дан- ные: объемный расход очищаемого га- за Q, м3/с, концентрация удаляемой примеси со, мг/м3, и давление отходящих газов р, Па. В резуль- тате расчета определяют потребную массу адсорбента, конструк- тивные размеры, гидравлическое сопротивление аппарата и время защитного действия адсорбера. На первом этапе расчета и проектирования адсорбера выби- рают рабочую температуру и тип сорбента. Для увеличения ад- сорбционной способности сорбента рабочую температуру, как правило, выбирают минимально возможной Выбор типа сорбен- та производится по изотермам адсорбции при рабочих параметрах температуры и концентрации примеси из условия минимальной массы сорбента. Минимальную необходимую массу сорбента определяют из уравнения материального баланса по улавливаемому компоненту: аЗсорВенщ Рис 40 Адсорбционная уста- новка для удаления SO2 из горячего топочного газа где пос — статическая поглотительная способность адсорбента в рабочих условиях, мг/кг адсорбента; т — время процесса адсорб- ции, с; k3 — коэффициент запаса, равный 1,1—1,2. 117
Скорость потока газа в адсорбере wr рассчитывают исходя из допустимого падения давления Ар в адсорбере: V -П„)та где йф==1,5й?3/з(/з+0,5с?з)~1A.5^з2/з)~1'3 — коэффициент формы зер- на сорбента, учитывающий неравнодоступность всей поверхности зерна обдувающему потоку; к9 — эквивалентный диаметр зерна сорбента, м3, для цилиндрических зерен длиной 13 и диаметром d3 равен rf,= „) @,5rfs+/,) Пн=(рк—Рн)/рк — пористость слоя сорбента определяется через кажущуюся рк и насыпную рн плотности сорбента; | — коэффици- ент гидравлического сопротивления, определяемый в зависимости от режима течения газа; при Re<50 g=220/Re, при 50^Re^ <7200 g=ll,6/Re0'25, где 4e=wrd3pr/\i — критерий Рейнольдса. Обычно, исходя из условий осуществления необходимого времени контакта газа с сорбентом и минимальных гидравлических сопро- тивлений, wr выбирают в пределах 0,15—0,5 м/с. Геометрические размеры адсорбера (диаметр £)а и длина La слоя адсорбента) подсчитывают по формулам: I.- Время защитного действия адсорбера определяют, исходя из характера кривой изотермы адсорбции. Для области изотермы ад- сорбции, в которой соблюдается закон Генри (а=Тс, где Г — без- размерный коэффициент Генри, равный отношению количества адсорбированного вещества по к начальной концентрации веще- ства в газовом потоке с0), продолжительность адсорбции х опре- деляют по формуле т = где 5УД = 4A—П„) (сУз)-1@.5^з+/з)—удельная поверхность ад- сорбента, м2/м3. Коэффициент b определяют (табл. 38) в зависи- мости от отношения содержания поглощаемого вещества в газо- вом потоке на выходе и входе адсорбера: 118
Коэффициент массопередачи от режима течения газа: Р = 0,833 Re°-47Pr0'35 Таблица 38 С/Со 0,005 0,01 0,03 0,05 Ь 1,84 1,67 1,35 1,19 С/Со 0,1 0,2 0,3 0,4 ъ 0,94 0,63 0,42 0,23 С/Со 0,5 0,6 0,8 0,9 ь 0,07 —0,10 —0,27 —0,68 с~\ определяют в зависимости при Re < 30; {5 = 0,53 Re0-6W-33 D при Re от 30 до'50, где Pr = v/D — диффузионный критерий Прандтля; v —коэффи- циент кинематической вязкости газа при рабочих условиях, м/с; D=Do(T/ToI>5(po/p) —коэффициент диффузии улавливаемого га- за в воздухе, м2/с; Do — коэффициент диффузии при 710=273 К и ро= 101,3 кПа. Для области изотермы адсорбции, в которой соблюдается урав- нение Лэигмюра [а=АВс(\+Ас)~1, где А и В — константы, зави- сящие от свойств адсорбента и адсорбируемого вещества], про- должительность адсорбции определяют по формуле X '==:- 60д0 wrc0 6opsy 1 + In где С\ — содержание вещества в газовом потоке, равновесное с ко- личеством вещества, равным половине а», кг/м3. Для области изотермы адсорбции, где величина адсорбции практически не зависит от содержания вещества в газовом пото- ке (т е. ажВ), продолжительность адсорбции определяют по формуле 60др wrc0 La — In I — 1 ) i. [ 60р5уд { cK /J Если полученное время защитного действия адсорбера отличается от заданного т на величину Дт, то длину аппарата меняют на ве- м — личину &La — ^i и пересчитывают массу сорбента. Осталь- ной расчет корректировки не требует. Адсорбция эффективна при удалении больших концентраций загрязняющих веществ (при этом необходима высокая адсорбци- 119
онная емкость или большая масса адсорбента). В тех случаях, когда концентрации загрязнителей невелики и обработке подвер- гается большое количество воздуха, адсорбция может оказаться эффективной для удаления летучих углеводородов и органиче- ских растворителей. Этот метод применим в случаях, когда за- грязняющий газ трудно или невозможно сжечь, когда необходима гарантированная рекуперация достаточно ценной примеси, когда нужно удалить пары ядовитых веществ и предполагаемых канце- рогенов. Адсорбцию широко используют при удалении паров раствори- теля из отработанного воздуха при окраске автомобилей, органи- ческих смол и паров растворителей в системе вентиляции пред- приятий по производству стекловолокна и стеклотканей, а также паров эфира, ацетона и других растворителей в производстве нит- роцеллюлозы и бездымного пороха. Адсорбенты также применяют для очистки выхлопных газов автомобилей; для удаления ядови- тых компонентов (например, сероводород из газовых потоков), выбрасываемых в атмосферу через лабораторные вытяжные шка- фы; для удаления радиоактивных газов при эксплуатации ядер- ных реакторов, в частности радиоактивного иода. В некоторых случаях (например, при обработке горючих га- зов) для разрушения токсичных органических веществ может быть использовано дожигание. Однако применение этого метода за- труднено тем, что концентрации органических примесей, распре- деленных в большом объеме воздуха, очень низки. Для того что- бы нагреть такой объем воздуха до температур, при которых про- водится термическая нейтрализация, расходуется большое коли- чество энергии Экономичность процесса дожигания может быть значительно повышена благодаря адсорбционному концентриро- ванию загрязнений перед дожиганием. Адсорбционное концентри- рование целесообразно при объемных концентрациях загрязните- ля до 300 млн-1, причем эффективность адсорбционной обработ- ки резко возрастает с увеличением объема обрабатываемого газа. Термическая нейтрализация. Метод основан на способности горючих токсичных компонентов (газы, пары и сильно пахнущие вещества) окисляться до менее токсичных при наличии свободно- го кислорода и высокой температуры газовой смеси. Этот метод применяется в тех случаях, когда объемы выбросов велики, а кон- центрации загрязняющих веществ превышают 300 млн~'. Методы термической нейтрализации вредных примесей во мно- гих случаях имеют преимущества перед методами адсорбции и аб- сорбции. Отсутствие шламового хозяйства, небольшие габариты очистных установок, простота их обслуживания, а в ряде случаев и пожарная автоматизация их работы, высокая эффективность обезвреживания при низкой стоимости очистки и другие положи- тельные качества явились причиной их широкого распростране- ния в машиностроительной промышленности. 120
Область применения метода термической нейтрализации вред- ных примесей ограничивается характером образующихся при окис- лении продуктов реакции. Так, при сжигании газов, содержащих фосфор, галогены, серу, образующиеся продукты реакции по ток- сичности во много раз превышают исходный газовый выброс. Ис- ходя из этого, метод термического обезвреживания применим для выбросов, включающих токсичные компоненты органического про- исхождения, нЪ не содержащие галогены, серу и фосфор. Различают три схемы термической нейтрализации газовых вы- бросов: прямое сжигание в пламени, термическое окисление и ка- талитическое сжигание. Прямое -сжигание в пламени и термиче- ское окисление осуществляют при температурах 600—800°С; ка- талитическое сжигание — при 250—450°С. Выбор схемы нейтра- лизации определяется химическим составом загрязняющих ве- ществ, их концентрацией, начальной температурой газовых выб- росов, объемным расходом и предельно допустимыми нормами выброса загрязняющих веществ. Прямое сжигание следует использовать только в тех случаях, когда отходящие газы обеспечивают подвод значительной части энергии, необходимой для осуществления процесса. Из экономи- ческих соображений этот вклад должен превышать 50% общей теплоты сгорания При проектировании устройств прямого сжига- ния необходимо знать пределы взрываемости или воспламеняемо- сти сжигаемых отходов и газообразного топлива в смесях с воз- духом. Эти данные показывают, будет ли данный вид газообраз- ных отходов поддерживать горение без дополнительного подвода топлива. Для безопасности транспортировки сжигание газов в про- мышленных масштабах осуществляется при концентрациях горю- чих компонентов не более 25% от нижнего предела взрываемости. Одна из проблем, затрудняющих осуществление прямого сжи- гания, связана с тем, что температура пламени может достигать 1300°С. При наличии достаточного избытка воздуха и длитель- ном выдерживании газа при высокой температуре это приводит к образованию оксидов азота. Тем самым процесс сжигания, обез- вреживая загрязняющие вещества одного типа, становится источ- ником загрязняющих веществ другого типа. Примером процесса прямого сжигания является сжигание уг- леводородов, содержащих токсичные газы (например, цианистый водород), непосредственно в факеле, т. е. просто в открытой го- релке, направленной вертикально вверх. Факел применяют глав- ным образом для сжигания горючих отходов, с трудом поддаю- щихся другим видам обработки. Существует ряд конструктивных решений, позволяющих осу- ществлять прямое сжигание вредных примесей в замкнутой ка- мере. Основные требования, предъявляемые к конструкциям та- ких камер, — обеспечение высокой степени турбулентности газо- вого потока и времени пребывания его в камере в пределах 0,2— 121
0,7 с. Типичными областями применения камерных дожигателей с открытым пламенем является дожигание газов для удаления органических отходов от лакокрасочных цехов, отходящих газов стержневых печей и оксидов азота, образующихся в процессе нитрования. Институтом газа АН УССР разработана и успешно прошла промышленные испытания установка очистки газовых выбросов лакокрасочного производства. Установка представляет собой цик- лонную топку (рис. 41), скомпонованную с газовой горелкой и камерой разбавления газов после их очистки. Воздух, загрязнен- ный токсическими примесями органических веществ (толуол, кси- лол и др.), поступает в вихревую двухзонную горелку 2 по каналу 6 и непосредственно во внутреннюю полость печи 4 по тангенциаль- ным каналам 5. При- родный газ подается в горелку по трубе 3. Время пребывания в полости не менее 0,5 с и контакт их с раска- ленными стенками ка- меры обеспечивают полноту их сгорания. Атмосферный воздух подается по централь- ной трубе 1 горелки только при обезврежи- отдросные газы Рис. 41. Установка очистки газообразных выбро- сов лакокоасочного производства вании выбросов, содержащих менее 15% кислорода. Запуск уста- новки, вывод на рабочий режим и его поддержание осуществля- ются с помощью блока автоматического управления и регулиро- вания установки. Системы огневого обезвреживания обеспечивают эффектив- ность очистки 0,90—0,99, если время пребывания вредностей в вы- сокотемпературной зоне не менее 0,5 с и температура обезвре- живания газов, содержащих углеводороды, не менее 500—650°С, а содержащих оксид углерода — 660—750сС. Термическое окисление применяют либо когда отходящие газы имеют высокую температуру, но в них нет достаточного количе- ства кислорода, либо когда концентрация горючих примесей на- столько низка, что они не обеспечивают подвод теплоты, необхо- димой для поддержания пламени. Важнейшими факторами, которые должны учитываться при проектировании устройств термического окисления, — время, тем- пература и турбулентность. Время в аппарате должно быть доста- точным для полного сгорания горючих компонентов. Обычно оно составляет от 0,3 до 0,8 с. Турбулентность характеризует степень 122
механического перемешивания, необходимого для обеспечивания эффективного контактирования кислорода и горючих примесей. Рабочие температуры зависят от характера горючих примесей. Так, при окислении углеводородов рациональный интервал темпе- ратур 500—760°С, при окислении оксида углерода 680—800°С, при устранении запаха посредством окисления 480—680°С. Если отходящие газы имеют высокую температуру, то процесс дожигания происходит в камере с подмешиванием свежего возду- ха. Так, например, происходит дожигание оксида углерода в га- зах, удаляемых системой вентиляции от электродуговых плавиль- ных печей, дожигание продуктов неполного сгорания (СО и CnHm) автомобильного двигателя непосредственно на выходе из цилиндров в условиях добавки избыточного воздуха. В тех случаях, когда температура отходящих газов недостаточ- на для протекания процесса окисления, поток отходящих газов подогревают в теплообменнике, а затем пропускают через рабо- чую зону, в которой сжигают природный или какой-либо другой высококалорийный газ. При этом горючие компоненты отходящих газов доводят до температур, превышающих точки их самовоспла- менения, и они сгорают под действием кислорода, обычно присут- ствующего в потоке загрязненного газа. При недостатке кислоро- да его вводят в поток отходящих газов при помощи воздуходув- ки, эжектирования или вентилятора. Одно из простейших уст- ройств, используемых для огневого обезвреживания технологиче- ских и вентиляционных низкотемпературных выбросов, схематиче- ски представлено на рис. 42. Загрязненный отходящий газ через Обезвреженные газы Отбросные газы Рис. 42. Установка для огневого обезвреживания технологических и вентиляционных выбросов входной патрубок / и полость теплообменника-подогревателя 2 поступает в V-образную полость коллектора горелки 3. При этом горючие компоненты отходящих газов доводят до необходимой температуры и сжигают в кислороде, присутствующем в потоке загрязненного газа. Процесс догорания происходит в камере сме- шения 4, где хвостовая часть факела контактирует с обезврежи- ваемыми выбросами при их турбулизации перегородками камеры. Выходящие из патрубка 5 газы могут либо выбрасываться непо- 123
средственно в атмосферу, либо пропускаться через дополнитель- ный теплообменник с целью рекуперации теплоты горячих газов. Основное преимущество термического окисления — относитель- но низкая температура процесса, что позволяет сократить расхо- ды на изготовление камеры сжигания и избежать значительного образования оксидов азота. Расчеты процессов термического окисления выполняют с целью определения количества дополнительного газообразного топлива, необходимого для достижения требуемой температуры обрабаты- ваемых отходящих газов; объема газообразных продуктов сгора- ния и объема камеры сгорания. Объемный расход дополнительного газообразного топлива Qnr, м3/с, зависит от количества теплоты qT, кДж/с, необходимого для повышения температуры обрабатываемого газа от начальной до температуры сгорания (ориентировочно определяют из значений энтальпий для воздуха) и теплотворной способности топлива qRnr, кДж/м3, природного газа: Qnr = <7i7<?RIir- Суммарный расход газообразных продуктов в устройстве для дожигания определяют как сумму объемного расхода продуктов сгорания, вычисляемого по стехиометрии реакции окисления, и объемного расхода обрабатываемого газа. Эта величина позволя- ет определить диаметр сопла горелки. Оптимальная скорость га- за, проходящего через сопло горелки, обеспечивающая наиболее эффективное перемешивание продуктов сгорания и загрязненного газа, должна составлять 4,5—7,5 м/с. Диаметр камеры сгорания определяют, исходя из необходимо- сти обеспечения достаточного времени пребывания и интенсивно- сти турбулентности. Для устройств термического окисления ра- циональное время пребывания газа в камере сгорания находится в пределах 0,3—0,9 с. Каталитический метод используют для превращения токсичных компонентов промышленных выбросов в вещества безвредные или менее вредные для окружающей среды путем введения в систему дополнительных веществ — катализаторов. Каталитические мето- ды основаны на взаимодействии удаляемых веществ с одним из компонентов, присутствующих в очищаемом газе, или со специ- ально добавляемым в смесь веществом. Катализатор, взаимодей- ствуя с одним из реагирующих соединений, образует промежуточ- ное вещество, которое распадается с образованием продукта ре- генерированного катализатора. Каталитическое окисление выгодно отличается от термическо- го кратковременностью протекания процесса (иногда достаточно нескольких долей секунды), что позволяет резко сократить габа- риты реактора. Кроме того, при пропускании газообразных отхо- дов через слой катализатора температура, необходимая для осу- ществления реакции органических газов и паров с кислородом, 124
существенно снижена (до 300°С) по сравнению с термическим окислением. Методы подбора катализаторов разнообразны, но все они, как правило, базируются на эмпирических или полуэмпирических спо- собах. Основной критерий выбора катализаторов — их активность и долговечность Об активности катализатора судят по количеству продукта, получаемого с единицы объема катализатора, или по объемной скорости каталитического процесса, при которых обе- спечивается требуемая степень обезвреживания обрабатываемого газа. Объемную скорость определяют как отношение расхода об- рабатываемого газа (м3/ч), приведенного к нормальным услови- ям, к объему катализаторной массы (м3). Степень обезврежива- ния 0,85—0,95 обычно достигается при объемной скорости от 2000 до 60 000 ч-1. Для осуществления каталитического процесса необходимы не- значительные количества катализатора, расположенного таким об- разом, чтобы обеспечить максимальную поверхность контакта с газовым потоком. Каталитический слой должен создавать уме- ренно низкий перепад давления, обеспечивать структурную целе- сообразность и долговечность катализатора. В большинстве слу- чаев катализаторами могут быть металлы (платина, палладий и другие благородные металлы) или их соединения (оксиды меди, марганца и т. п.). Катализаторная масса обычно выполняется из шаров, колец, пластин или проволоки, свитой в спираль из нихро- ма, никеля, оксида алюминия с нанесенными на их поверхность (сотые доли % к массе катализатора) благородных металлов. Например, катализаторы, разработанные в Дзержинском филиале НИИОГАЗа, позволяющие при температуре 350—420°С и скоро- сти обезвреживания 30 000—60 000 ч~' практически полностью окислять примеси этилена, пропилена, бутана, пропана, ацеталь- дегида, спиртов (метилового, этилового, пропилового и др), аце- тона, этилацетона, бензола, толуола, ксилола и др , выполнены в виде нихромовой проволоки 0,4—0,5 мм, свитой в спираль диа- метром 4—5 мм с нанесенным на ее поверхность в виде активной пленки платины и палладия. Объем катализаторной массы определяют, исходя из макси- мальной скорости обезвреживания газа, которая, в свою очередь, зависит от природы и концентрации вредных веществ в отходящем газе, температуры и давления каталитического процесса и актив- ности катализатора. Каталитическая активность нарастает в за- висимости от молекулярного строения улавливаемых соединений в следующем порядке: ароматические углеводороды < парафины разветвленного строения < парафины линейного строения <С оле- фины < ацетиленовые углеводороды. Высшие углеводороды окис- ляются легче, чем низшие. Осуществление каталитических процессов иногда затрудняется возможным отравлением катализатора некоторыми примесями, со- 125
держащимися в газовых выбросах. Присутствие в обрабатывае- мом газе железа, свинца, кремния и фосфора, а также соединений серы сокращает срок службы многих катализаторов или подавля- ют их активность Возможность отравления существенно затруд- няет выбор эффективных катализаторов для дожигания выбросов подвижных источников газообразных отходов. Существенное влияние на скорость и эффективность каталити- ческого процесса оказывает температура газа. Для каждой реак- ции, протекающей в потоке газа, характерна так называемая ми- нимальная температура начала реакции, ниже которой катализа- тор не проявляет активности. Температура начала реакции зависит от природы и концентрации улавливаемых вредностей. В табл. 38 Таблица 38 Окисляемое вещество Альдегиды Ацетилен Бензин Бензол Ксилол Лаки Нитротолуол Температура начала ре- акции, °С 173. 234 207...241 261...298 277.. 300 200...340 316...371 265.. 297 Окисляемое вещество Оксид углерода Пропан Растворитель Тринитротолуол Толуол Фенол Этанол Температура начала ре- акции. °С 316...343 293...332 260...400 219. .250 200...250 216...427 261...293 приведены оптимальная температура окисления некоторых веществ на катализаторах. С повышением температуры эффективность каталитического процесса увеличивается. Например, метан начинает окисляться на поверхности катализатора, состоящего из 60% диоксида марган- ца и 40% оксида меди, только при температуре 320°С, а 97%-ное реагирование наблюдается при f=450°C. Следует иметь в виду, что для каждого катализатора существует предельный темпера- турный уровень. У многих катализаторов максимальная рабочая температура составляет 800—850°С. Превышение этого уровня при- водит к снижению активности, а затем к разрушению катализа- тора. Различают два конструктивных варианта тазоочистных ката- литических устройств: — реакторы каталитические, в которых происходит контакт га- зового потока с твердым катализатором, размещенным в отдель- ном корпусе; — реакторы термокаталитические — аппараты, в которых в об- щем корпусе размещены контактный узел и подогреватель. Примером простейшей конструкции каталитического реактора очистки газов является реактор унифицированного сборочного комплекса типа УКС-39, разработанного Минским конструкторско- технологическим институтом (МКТЭИ), представляющий собой 126
прямоугольный сварной теплоизолированный корпус, одна из сте- нок которого выполнена съемной для обеспечения возможности монтажа-демонтажа кассеты с катализатором. Реактор предназна- чен для оснащения в комплексе с электроподогревателем и спе- циальным капельным теплообменником сушильных камер окра- сочных линий предприятия машиностроения. Наиболее многочисленную группу современных аппаратов ка- талитического обезвреживания органических соединений и оксида углерода представляют термокаталитические реакторы очистки газов, в которых рекуператор теплоты, подогреватель и контакт- ный узел размещены в одном корпусе. На рис. 43 представлен ка- талитический реактор, разработанный Дзержинским филиалом НИИОГАЗа, предназначенный для окисления толуола, содержа- щегося в газовоздушных выбросах цехов окраски. Воздух, содер- жащий примеси толуола, подогревает- ся в межтрубном пространстве тепло- обменника-рекуператора /, откуда по переходным каналам поступает в по- догреватель 4. Продукты сгорания топш6(Н^ природного газа, сжигаемого в горел- 5 Ь 3 2 1 ках 5, смешиваются с воздухом, повы- газ шая его температуру ДО 250—350°С, Рис 43. Каталитический реак- т. е. до уровня, обеспечивающего оп- „ Т0Р: J * / — теплообменник-рекуператор; 2 — ТИМЭЛЬНуЮ СКОРОСТЬ ОКИСЛеНИЯ ТОЛу- контактное устройство; 3 — катали- пгта иа nna^nvu^Tii уптаттоотАпп затор, 4 — подогреватель; 5 — го- ола на поверхности катализатора. v- релка природного газа Процесс химического превращения происходит на поверхности катализатора 3, размещенного в кон- тактном устройстве 2. В качестве катализатора применена при- родная марганцевая руда (пиромзит) в виде гранул размером 2—5 мм, промотировэнных азотнокислым палладием. В резуль- тате окисления толуола образуются нетоксичные продукты: диок- сид углерода и водяные пары (C7H8-|-9O2->7CO2-f 4H2O). Смесь воздуха и продуктоз реакции при температуре 350—450°С нап- равляется в рекуператор /, где отдает тепло гаэовоздушному по- току, идущему на очистку, и затем через выходной патрубок вы- водится в атмосферу. Эффективность очистки такого реактора составляет 0,95—0,98 при расходе вспомогательного топлива (при- родного газа) 3,5—4,0 м3 на 1000 м3 очищаемого воздуха. Гидрав- лическое сопротивление реактора при номинальной нагрузке (800—900 м3/ч) не превышает 150—180 Па. Скорость процесса находится в пределах от 8000 до 10 000 объемов на объем ката- лизаторной массы в 1 ч. Каталитические методы очистки применяют и для нейтрали- зации выхлопных газов автомобилей. Помимо вышеизложенных методов газоочистки промышлен- ных выбросов, для удаления неприятных запахов биологического происхождения, для организации газоочистки в процессах нане- 127
сения лаковых покрытий в автомобильной промышленности и ли- тейных цехах в ряде стран (ФРГ, Швейцария, Нидерланды и др.) начали применять биохимические методы газоочистки. Биохимические методы газоочистки основаны на способности микроорганизмов разрушать и преобразовывать различные соеди- нения. Разложение веществ происходит под действием фермен- тов, вырабатываемых микроорганизмами под влиянием отдельных соединений или группы веществ, присутствующих в очищаемых газах. Биохимические методы газоочистки более всего применимы для очистки отходящих газов постоянного состава. При частом изме- нении состава газа микроорганизмы не успевают адаптироваться к новым веществам и вырабатывают недостаточное количество ферментов для их разложения, в результате чего биологическая система будет обладать слабой разрушающей способностью по отношению к вредным компонентам тазов. Высокий эффект газо- очистки достигается при условии, что скорость биохимического окисления уловленных веществ больше скорости их поступления из газовой фазы. Различают две группы аппаратов биохимической очистки га- зов: биофильтры и биоскрубберы. Биоскрубберами называют аб- сорбционные аппараты (абсорберы, скрубберы), в которых оро- шающей жидкостью (абсорбентом) служит водяная суспензия ак- тивного ила. Содержащиеся в очищаемых газах вредные вещест- ва улавливаются абсорбентом и расщепляются микроорганизмами активного ила Так как биохимические реакции протекают с от- носительно небольшой скоростью, для обеспечения высокой эф- фективности работы газоочистной установки требуется промежу- точная емкость, которая может быть выполнена в виде отдельно- го реактора или встроена в основание абсорбера. В биофильтрах очищаемый газ пропускают через слой фильт- ра-насадки, орошаемой водой для создания необходимой влажно- сти, достаточной для поддержания жизнедеятельности микроорга- низмов. Насадкой служат природные (почва, торф, компост и др ) или искусственные материалы. При использовании последних на них предварительно выращивают биологически активную пленку орошением водой или суспензией активного ила. Способность активного ила к расщеплению уловленных ве- ществ устанавливается по соотношению полной биохимической по- требности в кислороде (БПКп) до начала процессов нитрофика- ции и химической потребности в кислороде (ХПК), которая ха- рактеризует окисление вещества до диоксида углерода и воды. При отношении БПКп:ХПК^0,5 вещества поддаются биохими- ческому окислению. Эффективная работа биофильтров обеспечивается за счет рав- номерного распределения очищаемого воздуха по всей фильтрую- щей поверхности, равномерной влажности B0—50%) и плотно- 128
сти фильтрующего слоя, поддержания оптимальных температур B5—35°С) и значения рН 6,5—8,5. Выбор метода очистки определяется технико-экономическим расчетом и зависит от: концентрации загрязнителя в очищаемом газе и требуемой степенью очистки, зависящей от фонового за- грязнения атмосферы в данном регионе; объемов очищаемых га- зов и их температуры; наличия сопутствующих газообразных при- месей и пыли; потребности в тех или иных продуктах утилизации и наличии требуемого сорбента; размеров площадей, имеющихся для сооружения газоочистной установки; наличия необходимого катализатора, природного газа и т. д. При выборе аппаратурного оформления для новых технологи- ческих процессов, а также при реконструкции действующих уста- новок газоочистки необходимо руководствоваться следующими требованиями: максимальная эффективность процесса очистки в широком диапазоне нагрузочных характеристик при малых энер- гетических затратах; простота конструкции и ее обслуживания; компактность и возможность изготовления аппаратов или отдель- ных узлов из полимерных материалов; возможность работы на циркуляционном орошении или на самоорошении Главный прин- цип, который должен быть положен в основу проектирования очистных сорружений,— это максимально возможное удержание вредных веществ, теплоты и возврат их в технологический про- цесс. § 17. СНИЖЕНИЕ ТОКСИЧНОСТИ ВЫБРОСОВ ТРАНСПОРТНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК Повышение экологических показателей автомобиля возможно за счет проведения комплекса мероприятий по совершенствова- нию его конструкции и режима эксплуатации. К улучшению эко- логических показателей автомобиля приводят: повышение его эко- номичности; замена бензиновых ДВС на дизельные; перевод ДВС на использование альтернативных топлив (сжатый или сжижен- ный газ, этанол, метанол, водород и др.); применение нейтрализа- торов отработавших газов ДВС; совершенствование режима рабо- ты ДВС и технического обслуживания автомобиля. Повышение топливной экономичности автомобиля достигается главным образом за счет совершенствования процесса сгорания в ДВС- послойное сжигание топлива; форкамерно-факельноесжи- гание; применение подогрева' и испарения топлива во впускном тракте; использование электронного зажигания. Дополнительны- ми резервами повышения экономичности автомобиля являются: — снижение массы автомобиля за счет усовершенствования его конструкции и применения неметаллических и высокопрочных ма- териалов (например, автомобиль ВАЗ-2108 имеет массу на 100 кг меньше, чем его предшественники; у автомобиля «Москвич» Ижев- 5-521 129
ского автозавода снижена масса на 272 кг по сравнению с пер- выми выпусками этой модели); — улучшение аэродинамических показателей кузова (послед- ние модели легковых автомобилей обладают, как правило, на 30— 40% меньшим коэффициентом лобового сопротивления); — снижения сопротивления воздушных фильтров и глушите- лей, отключения вспомогательных агрегатов, например вентиля- тора и т. п ; — снижения массы перевозимого топлива (неполное заполне- ние баков) и массы инструментов Современные модели легковых автомобилей существенно от- личаются по топливной экономичности от предшествующих моде- лей: Марка автомобиля Расход бензина л/100 км при скорости 90 км/ч «Москвич» АЗЛК-2141 5,9 «Москвич-412» A967—1975) —/11,3* «Лада-Спутник» ВАЗ-2108 5,7 ВАЗ-2101 A970—1983) —/10,8 «Таврия» ЗАЗ-1102 4,8/7,6 «Ока» ВАЗ-1111 4,5 Перспективные марки легковых автомобилей будут обладать расходом бензина 3,5 л/100 км и менее Повышение экономич- ности автобусов и грузовых автомобилей достигается прежде все- го применением дизельных ДВС. Они обладают экологическими преимуществами по сравнению с бензиновыми ДВС, поскольку имеют меньший на 25—30% удельный расход топлива; кроме то- го, состав отработавших газов у дизельного ДВС менее токсичен (см. табл. 12). В СССР намечено довести выпуск дизельных гру- зовых автомобилей и автопоездов до 40—45% общего выпус- ка. Начато производство грузовых автомобилей ЗИЛ-4421 с дизельным двигателем мощностью 136 кВт и расходом топлива 26,5 л/100 км при скорости 60 км/ч и производство грузового автомобиля ГАЗ-6008 мощностью 92 кВт. Экологическими преимуществами по сравнению с бензиновы- ми ДВС обладают двигатели, работающие на альтернативных топ- ливах. Общее представление о снижении токсичности ДВС при переходе на альтернативное топливо можно получить из данных, приведенных в табл. 39 для автомобиля ГАЗ-24. В СССР намечено значительно расширить производство авто- мобилей, работающих на сжатом и сжиженном газе. Перевод на газовое топливо не предусматривает значительных изменений в конструкции ДВС, однако сдерживается отсутствием станций за- правки и необходимого количества автомобилей, переоборудован- ных для работы на газе. Кроме того, автомобиль, переоборудо- * В знаменателе расход бензина при городском цикле езды, л/100 км. 130
ванный для работы на газовом топливе, теряет грузоподъемность из-за наличия баллонов и запас хода приблизительно в 2 раза B00 км против 400—500 км у бензинового автомобиля). Эти не- достатки частично устранимы при переводе автомобиля на сжи- женный природный газ. Таблица 39 Топливо Бензин Природный газ Метанол Выбросы, % со 100 60 50 NOX 100 74 55 Применение метанола и этанола требует изменений конструк- ции в ДВС, так как спирты более химически активны к резинам, полимерам, медным сплавам. В конструкцию ДВС необходимо вводить дополнительный подогреватель для запуска двигателя в холодный период года (при t<.—25°С); необходима перерегули- ровка карбюратора, так как изменяется стехиометрическое отно- шение расхода воздуха к расходу топлива. У бензиновых ДВС оно равно 14,7; у двигателей на метаноле — 6,45, а на этаноле — 9. За рубежом (Бразилия) применяют смеси бензина и этанола в пропорции 12:10, что позволяет использовать бензиновые ДВС с незначительными изменениями их конструкции, несколько повышая при этом экологические показатели двигателя. Значительное снижение токсич- ности ДВС достигается при исполь- зовании нейтрализаторов отработав- ших газов (ОГ) Нейтрализатор — это дополнительное устройство, ко- торое вводится в выпускную систему двигателя для снижения токсичнос- ти ОГ. Известны жидкостные, ката- литические, термические и комбинированные нейтрализаторы [3]. Принцип действия жидкостных нейтрализаторов основан на растворении или химическом взаимодействии токсичных компо- нентов ОГ при пропускании их через жидкость определенного со- става: вода, водный раствор сульфита натрия, водный раствор двууглекислой соды. На рис. 44 представлена схема жидкостного нейтрализатора, применяемого с двухтактным дизельным двигателем. Отработав- шие газы поступают в нейтрализатор по трубе / и через коллек- 5* 131 Рис. 44. Схема жидкостного ней- трглизатсра
тор 2 попадают в бак 3, где вступают в реакцию с рабочей жид- костью. Очищенные газы проходят через фильтр 4, сепаратор 5 и выбрасываются в атмосферу. По мере испарения жидкость доли- вают в рабочий бак из дополнительного бака 6. Пропускание ОГ дизелей через воду приводит к уменьшению запаха, альдегиды поглощаются с эффективностью 0,5, а эффек- тивность очистки от сажи достигает 0,60—0,80. При этом несколь- ко уменьшается содержание бенз(а)пирена в ОГ дизелей. Темпе- ратура газов после жидкостной очистки составляет 40—80°С, при- мерно до этой же температуры нагревается и рабочая жидкость. При снижении температуры процесс очистки идет интенсивнее. Жидкостные нейтрализаторы не требуют времени для выхода на рабочий режим после пуска холодного двигателя. Недостатки жидкостных нейтрализаторов: большая масса и габариты; необ- ходимость частой смены рабочего раствора; неэффективность по Таблица 40 Вещество СО NO* Альдегиды SO2 Концентрация, об. доли, % до нейтрализации 0,06 0,002 0,0144 0,008 после нейтрализации 0,06 0,001 0,003 0 Степень очистки, % 0 50 98 100 отношению к СО; малая эффективность @,3) по отношению к NO*; интенсивное испарение жидкости. Однако использование жидкостных нейтрализаторов в комбинированных системах очист- ки может быть рациональным, особенно для установок, отрабо- тавшие газы которых должны иметь низкую температуру при по- ступлении в атмосферу. При расчете жидкостного нейтрализатора определяют его ос- новные размеры и необходимое количество раствора для работы в течение определенного времени. Используемый для дизельных автосамосвалов МАЗ нейтрализатор НТЖ-2 представляет собой металлическую сварную конструкцию прямоугольной формы вы- сотой 530 мм, шириной 608 мм и содержит в рабочем баке 55 л раствора. Средние значения концентраций вредных компонентов ОГ до и после жидкостного нейтрализатора, полученные на автосамосва- ле МАЗ-205, приведены в табл. 40. Каталитическая нейтрализация отработавших газов ДВС на по- верхности твердого катализатора происходит за счет химических превращений (реакции окисления или восстановления), в результа- 132
л те которых образуются безвредные или менее вредные для окру- жающей сргды и здоровья человека соединения. Катализаторы на основе благородных металлов (платина, пал- ладий, рутений, радий и др.) наиболее широко используют для очистки отработавших газов ДВС. Эти катализаторы характеризу- ются хорошей селективностью в реакциях нейтрализации токсич- ных компонентов, низкими температурами начала эффективной работы, достаточной температуростойкостью, долговечностью и спо- собностью устойчиво работать при высоких скоростях газового по- тока. Основной недостаток катализаторов этого типа — их высокая стоимость. Рутений, радий и иридий широко используют в качестве добавок к платиновым и палладиевым катализаторам, способным работать в широком диапазоне изменения состава рабочей смеси двигателя. Для восстановления оксида азота применяют катализаторы на основе переходных металлов, в частности меди, хрома, кобальта, никеля и их сплавов. Эти катализа- торы менее долговечны, чем Pt и Pd; их эффективность заметно ниже при высоких объемных скоростях хи- мических реакций; эффективная ней- трализация продуктов неполного сгорания достигается на таких ката- лизаторах при более высоких темпе- ратурах, чем на платиновых. Поэто- му, несмотря на высокую стоимость, для каталитической нейтрализации отработавших газов чаще использу- ют катализаторы на основе благо- родных металлов. Для нейтрализации в отработавших газах NOX, CO и СлНт при- меняют двухступенчатый каталитический нейтрализатор (рис. 45), состоящий из последовательно соединенных восстановительного / и окислительного 2 катализаторов. Отработавшие газы через патру- бок поступают к восстановительному катализатору. На этом ката- лизаторе нейтрализация окислов азота происходит по реакции (для ДВС с искровым зажиганием N0* на 99% состоит из N0) NO + СО -► 0,5N2 + С02 or J Ш Г Воздух Рис. 45. Схема двухступенчатого (трехкомпонентного) каталитиче- ского нейтрализатора Для обеспечения восстановительной среды перед первой сту- пенью нейтрализатора двигатель должен быть отрегулирован для работы с а, близким к стехиометрическому. При а>1,05 активность катализатора резко уменьшается (среда становится окислительной). После восстановительного катализатора к отработавшим газам для создания окислительной среды подводится через патрубок вторич- 133
ный воздух. На окислительном катализаторе происходит нейтра- лизация продуктов неполного сгорания СО и С„Нт. Основными процессами являются окисление оксидов углерода и углеводоро- дов: С„Нт + (л + 0,25т) О2 -► лСО2 + 0,5тН2О Результаты испытаний автомобиля с двухступенчатым катали- тическим нейтрализатором (в 1-й ступени — медноникелевый сплав, во 2-й — платина) приведены в табл. 41. Автомобиль Без нейтрализатора С нейтрализатором Концентрация NOX, мг/м3 1759 283 токсических 100 46 Таблица 41 веществ СО, мг/м» 9100 3500 В СССР применяют в основном окислительные каталитические нейтрализаторы. Эффективность работы нейтрализатора, его мас- совые и габаритные показатели, создаваемое им противодавление выпуску ОГ зависят в основном от характера протекания газо- динамических и массообменных процессов. Одной из основных задач при проектировании нейтрализатора является определение длины каталитического слоя, через который проходят газы в процессе нейтрализации. В общем случае длина слоя, необходимая для достижения заданной степени очистки, зави- сит от скорости кинетических превращений и потока. Однако вслед- ствие большой скорости реакции, достигаемой на платиновых ката- лизаторах в области малых концентраций оксида углерода, основ- ным фактором, определяющим общую скорость ее окисления, становится диффузия. Практически это означает, что расчет катали- тических нейтрализаторов для обезвреживания продуктов неполно- го сгорания ОГ можно без большой погрешности выполнять, учитывая только процессы массопередачи в диффузионной области. Расчет профиля концентраций по длине слоя гранулированного катализатора производится по формуле сх ■ = ехр - Svx [ ,3»S'/* (Re0-41 - 1,5) где сх — текущая концентрация компонента по координате х; с0 — исходная концентрация компонента на входе в реактор; Sv— удель- ная поверхность насыпного катализатора; Sc=v/D — число Шмид- та; v — коэффициент кинематической вязкости; D — коэффициент 134
диффузии; Re = wdK/v — число Рейнольдса; w — средняя скорость течения газа через каналы, образующие слой; dK— диаметр отдель- ной гранулы насыпного слоя катализатора. Значения коэффициента диффузии некоторых веществ: Компонент СО С6Н6 С6Н5—СН3 D, м2/с 1,4-10-* 7,5 10~5 O,7M0-s Степень очистки ОГ от вредных веществ при х = 1 составит т) = = 1—ci/co, где / — длина слоя катализатора. Для слоя сферических частиц Sy = 6(l—Tl)/dK, где П — порис- тость. Полное сопротивление нейтрализатора включает потери давле- ния на 'входе, активной зоне и выходе: Ар% = Арвх + Лракт + ЛРвых- Потери на входе (Лрвх) и выходе (АрВых) определяют по фор- мулам гидравлики, а потери давления в слое — по уравнению 2l/{2d), где U - -^" A + 0,0056 Re^n-1'72). A2) В качестве скорости при определении числа Рейнольдса необ. ходимо использовать скорость ОГ в порах, равную w = Qor/(FKn), где FK— площадь поперечного сечения катализатора с пористо- стью П. Число Рейнольдса в формуле A2) определяют по соотно- шению R&K = wdn/v, где dn =2Шк/[A—ПK]. Газодинамика слоя катализатора является только одним из факторов, определяющих аэродинамические характеристики нейт- рализатора в целом. В частности, равномерность распределения газа по поверхности слоя зависит не столько от абсолютной потери давления в нем, сколько от отношения кинетической энергии по- тока газа во входной полости над реактором к перепаду давления на слое. Это относится и к выходной полости нейтрализатора. Приемлемое для практических целей равномерное распределе- ние потока газа достигается, если выполняется условие Лрвх/Лракт<0,15—0,2. С учетом этого условия, а также требований компактности степень расширения входного диффузора выбирают в пределах 2—2,5. Доводку нейтрализатора, как правило, проводят эксперимен- тально. Опыт показывает, что допустимая степень неравномерности распределения газа по поверхности нейтрализатора обеспечива- ется, если скорость потока во входном и выходном сечениях нейтра- лизатора выбрана достаточно малой, а перепад давления на слое составляет не менее 40% общего сопротивления нейтрализатора. Экспериментальные исследования позволяют сформулировать до- статочно простые правила, которых надо придерживаться при про- ектировании каталитических нейтрализаторов: длина гранулирован- 135
ного слоя катализатора для карбюраторного ДВС должна состав- лять 10—15 диаметров гранулы, а для дизельного в 2—2,5 раза больше; приведенная к нормальным условиям скорость газа по пол- ному сечению реактора (скорость фильтрации) не должна превы- шать 1 м/с. Каталитические нейтрализаторы конструктивно состоят из вход- ного и выходного устройств, корпуса и заключенного в него р'еакто- ра. Разработаны каталитические нейтрализаторы (рис. 46) для отработавших газов ДВС транспортных средств с бензиновыми и дизельными двигателями. Ка- талитические нейтрализаторы снижают в ОГ содержание СО на 70—90%, С„Нт —на 50—85%. Основные параметры каталитиче- ских нейтрализаторов для автобу- са ЛиАЗ-667 следующие: объем реактора 2,5 дм3; длина 553; ши- рина 307; высота 243 мм; масса 15 кг. Схема установки каталитиче- ского нейтрализатора в системе ДВС показана на рис. 47. Отрабо- тавшие газы от двигателя 1 по- ступают по выпускной трубе 2 к каталитическому нейтрализатору 3, после чего выбрасываются в атмосферу. Для поддержания необходимой температуры газов в нейтрализаторе используется электронный блок 4, регулирующий клапаном 5 подачу воздуха через ресивер 6 и обратный клапан 7 из атмосферы в нейтрализатор. Воздух Рис. 46 Каталитический нейтрализа- тор для бензинового ДВС Рис 47. Схема установки каталитического нейтрализатора В 1980 г. 4% выпускаемых в мире легковых и грузовых автомо- билей оснащено дизелями, а к концу 80-х годов этот показатель возрос до 25% . При этом дизели стали значительным источни- ком выброса твердых частиц в атмосферу. Для улавливания сажи 136
известно несколько конструкции устройств, использующих как принцип электростатической очистки, так и метод фильтрации. Одним из лучших конструктивных решений для снижения со- держания твердых частиц в выхлопе дизелей считается установка фильтров регенеративного типа Фильтр (рис. 48, а) представляет собой сотовую конструкцию с ячейками прямоугольного сечения. Материал фильтра — пористый кордиерит обладает достаточной механической прочностью, стойкостью к агрессивным химическим веществам, сопротивлением к оплавлению и образованию трещин при тепловых воздействиях, а также термической стабильностью. Фильтр (рис. 48, б), выполненный в виде нескольких последовательно рас- положенных порис- тых перегородок, об- ладает повышенной эффективностью очи- стки. Накопившиеся в фильтре частицы следует периодиче- ки удалять предпо- чтительно термиче- ским окислением. Для этого отходящие газы нагревают до 450°С и выше, что приводит к воспла- менению накопив- шейся сажи. Дан- ные, полученные при проведении эксперимента с дизелем рабочим объемом 2,3 л, по оп- ределению концентрации основных примесей в отработавших газах дизеля, приведены в табл. 42. Сажеуловители дизельных ДВС должны обеспечивать ресурс 10 000 км и более при незначительном увеличении гидравлического Рис. 48. Схема фильтров-сажеуловителей с (а) и многослойной насадкой (б) сотовой Схема выпуска отработавших газов Без фильтра С чистым керамическим фильтром Т а б л и ца 42 Концентрация, г/км углеводороды с„нт 0,312 0,337 СО 0,937 0,931 0,784 0,700 твердые частицы 0,169 0,031 137
сопротивления, что обеспечивается периодической (примерно через 100 км пробега) регенерацией фильтроэлемента. Конструктивно фильтроэлементы выполняют в виде многоканальных моноблоков, объемно-проволочных элементов и в виде намотанных на перфори- рованную трубу стеклокерамических нитей, допускающих регенера- цию при 600°С. Несмотря на то что выбросы токсичных веществ (С„Нт и СО) из картера и топливной системы двигателя по крайней мере на по- рядок ниже выбросов выхлопных газов, в настоящее время разра- батываются [3] методы сжигания картерных газов ДВС. Известна замкнутая схема нейтрализации картерных газов с подачей их во впускной трубопровод двигателя с последующим дожиганием. Замкнутая система вентиляции картера с возвращением картерных газов до карбюратора уменьшает выделение в атмосферу углеводо- родов на 10—30%, оксидов азота на 5—25%, но при этом увеличи- вается выброс оксида углерода на 10—35%. При возвращении картерных газов после карбюратора снижается выброс С„Нт на 10—40%, СО на 10—25%, но возрастает выброс NO* на 10—40%. Для предотвращения выбросов паров бензина из топливной си- стемы, основная часть которых поступает в атмосферу, когда дви- гатель не работает, на автомобилях устанавливают систему обезвре- живания испарений топлива из карбюратора и топливного бака [3], состоящую из трех основных узлов (рис. 49): герметичного топливного бака 1 со специаль- ной емкостью 2 для компенса- ции теплового расширения топ- лива; крышки 3 топливно-за- правочной горловины бака с двусторонним предохранитель- ным клапаном для предотвра- щения чрезмерного давления или разрежения в баке; адсор- бера 4 для поглощения паров топлива при выключенном дви- гателе с системой возврата па- ров во впускной тракт двигате- ля во время его работы. В ка- честве адсорбента используют активированный уголь. Соблюдение регламента технического обслуживания и контроль состава ОГ ДВС позволяет значительно сократить токсичные вы- бросы в атмосферу. Известно, что при 160 тыс. км пробега и при отсутствии контроля выбросы СО возрастают в 3,3 раза, а СпНт — в 2,5 раза. Повышение экологических показателей ГТДУ достигается совер- шенствованием процесса сгорания топлива, применением альтер- нативного топлива (сжиженный газ, водород и др.), рациональной организацией движения в аэропортах. 138 Рис. 49. Схема улавливания паров топ- лива бензинового ДВС
Увеличение времени пребывания продуктов сгорания в камере сгорания ГТДУ сопровождается увеличением полноты сгорания (уменьшение содержания СО и С„Нт в продуктах сгорания) и со- держания в них оксидов азота. Поэтому, изменяя время пребыва- ния газа в камере сгорания, можно достичь лишь минимальной токсичности продуктов сгорания, а не устранить ее полностью. Более эффективным средством снижения токсичности ГТДУ является применение способов подачи топлива, обеспечивающих более равномерное смещение топлива и воздуха. К ним относятся устройства с предварительным испарением топлива, форсунки с аэрацией топлива и др. Испытания на модельных камерах свиде- тельствуют о том, что такими способами можно снизить содержа- ние в продуктах сгорания СлНт более чем на порядок, СО — в не- сколько раз, обеспечить бездымный выхлоп и уменьшить содержа- ние ЫОЖ. Существенное снижение содержания NOX в продуктах сгора- ния ГТДУ достигается при стадийном процессе сгорания топлива в двухзонных камерах сгорания. В таких камерах основная часть топлива на режимах большой тяги сжигается в виде предвари- тельно подготовленной бедной смеси (а>1). Меньшая часть топ- лива (~25%) сжигается в виде богатой смеси (а^1), где и об- разуются в основном оксиды азота. Опыты показывают, что при таком сгорании можно снизить содержание NOX в ~2 раза. Решение экологических проблем, связанных с применением ра- кетной техники, основано на использовании экологически безопас- ного топлива и прежде всего кислорода и водорода. § 18. РАССЕИВАНИЕ ВЫБРОСОВ В АТМОСФЕРЕ Распространение в атмосфере выбрасываемых из труб и вен- тиляционных устройств промышленных выбросов подчиняется за- конам турбулентной диффузии. На процесс рассеивания выбросов существенное влияние оказывают состояние атмосферы, располо- жение предприятий и источников выбросов, характер местности, физические и химические свойства выбрасываемых веществ, высо- та источника, диаметр устья и т. п. Горизонтальное перемещение примесей определяется в основном скоростью ветра, а вертикаль- ное— распределением температур в вертикальном направлении. На рис. 50 показано распределение концентрации вредных ве- ществ в атмосфере над факелом организованного высокого источ- ника выброса. По мере удаления от трубы в направлении распро- странения промышленных выбросов можно условно выделить три зоны загрязнения атмосферы: переброс факела выбросов, харак- теризующийся относительно невысоким содержанием вредных веществ в приземном слое атмосферы; задымление с максималь- 139
ным содержанием вредных веществ и постепенное снижение уров- ня загрязнения. Зона задымления является наиболее опасной для населения и должна быть исключена из селитебной застройки. Размеры этой зоны в зависимости от метеорологических условий находятся в пределах 10—49 высот трубы. h ^источнш^ ]ж / зона неоргани- зованного загрязненс 30F (Я т ч у / 1 -1 - £ s iblMOOOU факел ■ а z е н к ия + 1 А s ч ■■ \ ч зона х постепенного снижения уровня загрязнения переброса факела Рис. 50. Распределение концентрации вредных веществ в атмосфере от организованного высокою источника выбросов Максимальная концентрация прямо пропорциональна произво- дительности источника и обратно пропорциональна квадрату его высоты над землей. Подъем горячих струй почти полностью обус- ловлен подъемной силой газов, имеющих более высокую темпера- туру> чем окружающий воздух. Повышение температуры и момен- та количества движения выбрасываемых газов приводит к увеличе- нию подъемной силы и снижению их приземной концентрации. При выбросах через высокие трубы или при факельном выбросе в условиях безветрия рассеивание вредных веществ происходит главным образом под действием вертикальных потоков. Высокие скорости ветра увеличивают разбавляющую роль атмосферы, способствуя более низким приземным концентрациям в направле- нии ветра. Движение загрязняющих веществ вместе с воздушными массами, перемещаемыми ветром, приводит к тому, что турбулент- ные вихри изгибают, разрывают поток и перемешивают его с окру- жающими воздушными массами. Разбавление вдоль оси струи пропорционально средней скорости ветра vm на высоте струи. Вмес- те с тем с увеличением vm уменьшается высота факела над устьем трубы. Поэтому для источников выбросов вводят понятие опасной скорости ветра, при которой приземные концентрации имеют наи- большие значения. Для того чтобы предотвратить отклонение струи вблизи от горловины трубы, скорость выбрасываемого газа wT долж- но
на вдвое превышать опасную скорость ветра на уровне горловины трубы. Распространение газообразных примесей и пылевых частиц диаметром менее 10 мкм, имеющих незначительную скорость осаж- дения, подчиняется общим закономерностям. Для более крупных частиц эта закономерность нарушается, так как скорость их осаж- дения под действием силы тяжести возрастает. Поскольку при очист- ке токсичной пыли крупные частицы улавливаются, как правило, легче, чем мелкие, в выбросах остаются очень мелкие частицы, их рассеивание в атмосфере рассчитывают так же, как и газовые вы- бросы. Согласно СНиП 2.04.05—86 «Отопление, вентиляция и кондицио- нирование воздуха» предельно допустимая концентрация пыли сп, мг/м3, в технологических и вентиляционных выбросах, подвергае- мых рассеиванию, определяется в зависимости от объема выбрасы- ваемого воздуха L, тыс. м3/ч. При объеме более 15 тыс. м3/ч сп = — 100 k; при объеме 15 тыс. м3/ч и менее сц=/>A60—4L), где k — коэффициент, принимаемый в зависимости от ПДКрз пыли в возду- хе рабочей зоны помещения на постоянных рабочих местах: ПДКрз, мг/м3 <2 >2-М >4-^6 >6-И0 k 0,3 0,6 0,8 1,0 Выбросы воздуха с концентрацией пыли, превышающей сп, не допускается рассеивать в атмосферу без предварительной очистки. При устройстве систем очистки запыленного воздуха от пыли с час- тицами размером 20 мкм и более эффективность очистки должна быть не менее 0,90. В зависимости от расположения и организации выбросов источ- ники загрязнения воздушного пространства подразделяют на зате- ненные и не затененные, линейные и точечные. Точечные источники используют, когда удаляемые загрязнения сосредоточены в одном месте. К ним относят выбросные трубы, шахты, крышные вентиля- торы и другие близко расположенные источники. Выделяющиеся из них вредные вещества при рассеивании в циркуляционной зоне не накладываются одно на другое на расстоянии двух высот здания (с заветренной стороны). Линейные источники имеют значительную протяженность в направлении, перпендикулярном к ветру. Это аэрационные фонари, открытые окна, близко расположенные вытяж- ные шахты и крышные вентиляторы. Незатеиенные, или высокие, источники свободно расположены в недеформированном потоке вет- ра. К ним относят высокие трубы, а также точечные источники, удаляющие загрязнения на высоту, превышающую 2,5 Язд. Затенен- ные, или низкие, источники расположены в зоне подпора или аэро- динамической тени, образующейся на здании или за ним (в резуль- тате обдувания его ветром) на высоте А^2,5 Язд. Основным документом, регламентирующим расчет рассеивания и определения приземных концентраций выбросов промышленных 141
предприятий, является «Методика расчета концентраций в атмос- ферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах пред- приятий. ОНД-86». В основу методики положено условие, при кото- ром суммарная концентрация каждого вредного вещества не долж- на превышать максимальную разовую предельно допустимую кон- центрацию данного вредного вещества в атмосферном воздухе, т. е. сц=(ст + сф)< ПДК, где ст — максимальная концентрация загрязняющих веществ в приземном воздухе, создаваемая источниками выбросов, мг/м3; СФ — фоновая концентрация одинаковых или однонаправленных вредных веществ, характерная для данной местности (принимается по справке органов санитарно-эпидемиологической службы), мг/м3. При одновременном присутствии в атмосферном воздухе не- скольких веществ, обладающих аддитивными свойствами для каж- дой точки местности, должно выполняться условие: < ] я ПДК/ где i означает £-ю примесь. При выбросе в атмосферу одного или более однонаправленных загрязняющих веществ из нескольких источников (одинаковой или разной высоты), расположенных на значительном расстоянии друг от друга, загрязнения приземного слоя атмосферы рассчитывают для каждой трубы. Полученные результаты для данной точки мест- ности суммируют с учетом падения концентраций в перпендикуляр- ном ветру направлении у. В зависимости от соотношения валовых выбросов из источников и расстояния между ними в перпендику- лярном по отношению к ветру направлении максимальная суммар- ная концентрация загрязняющих веществ будет находиться или на оси источника большей мощности, или между источниками, но бли- же к источнику большей мощности. В случае расчета рассеивания выбросов, выделяемых в атмосфе- ру через трубы одинаковой высоты, расположенные на близком расстоянии друг от друга, трубы следует принимать за один эквива- лентный источник такой же высоты с суммарным количеством за- грязняющих веществ. При расположении более двух соседних точеч- ных источников по одной линии и совпадении с нею направления ветра выбросы будут накладываться один на другой, что приведет к увеличению приземных концентраций. Шахматное расположение сосредоточенных источников приводит к уменьшению концентрации примесей в приземном слое атмосферы. Согласно действующей методике минимальная высота Ятщ одноствольной трубы для рассеивания газовоздушных выбросов, имеющих температуру выше температуры окружающего воздуха, определяют по формуле 142
/AMkfmn Г ПДК-йф' У Q\T где А — коэффициент, зависящий от температурного градиента атмосферы и определяющий условия вертикального и горизонтальнго рассеивания вредно- стей, с2/3-мг-гр1/3/г (в зависимости от метеорологических условий принимает значения- 240 — для субтропической зоны Средней Азии А; 200 — для Казах- стана Нижнею Поволжья, Кавказа, Молдавии, Сибири, Дальнего Востока и остальных районов Средней Азии, 160—для Севе- ра и Северо-Запада европейской части территории СССР, Среднего Поволжья, Урала и Украины, 120— 1,2 для Центральной части европейской территории СССР); М — масса среднего вещества, выбрасываемо- го в атмосферу в единицу времени, г/с, Q—объем д,_ расходуемой газовоздушной смеси, выбрасываемой ч ' из всех труб, м3/с; kF — коэффициент, учитывающий 0 скорость оседания взвешенных частиц выброса в ат- мосфере (для газов равен 1, для пыли при эффек- тивности очистки газоочистной установки — более 0,90), &f = 2,5 и менее 0,75 kp=3; ДГ— разность меж- ду температурой выбрасываемой газовоздушной смеси и температурой окружающего атмосферного воздуха, равной средней температуре самого жаркого месяца в 13 ч; т и п — безразмерные коэффициенты, учитывающие условия выхода газовоздушной сме- си из устья источника выброса Значение безразмерного коэффициента т определяют по графику (рис 51) в зависимости от параметра: wlD 20 W 60 SO 100f Рис. 51. Зависимость ко- эффициента m от пара- метра f где и>г — средняя скорость выхода газов из устья источника, м/с; D = 1,13 у Q/wr— диаметр устья источника выбросов, м. Значение безразмерного коэффициента п определяют в зависимости от опасной скорости vm, м/с: 0,3 /z = 3,0;tv л=1,0; 0,3<i/m<2,0 п = 3 - У (vm - 0,3) D,36 - vm). Максимальная концентрация вредных веществ у земной поверхности дости-, гается на оси факела выброса (по направлению среднего за рассматриваемый период ветра) на расстоянии хт от источника выброса и не должна превы- шать максимальную разовую концентрацию данного вещества в атмосфере: Если коэффициент, учитывающий скорость оседания взвешенных частиц Ь — kp выброса в атмосфере kp<2, то xm = kdH, если kp^2, toxm = кдН. Значение безразмерного параметра расчетным способом: находят но номограмме (ОИД-86) либо 143
vm>2,0 kd = o,283/f). Распределение концентрации вредных веществ 'л призекном слое атмосферы по оси факела на различных расстояниях х от источника выброса находят по формуле cx = Slcm Безразмерная величина S\ зависит от отношения х/хт (рис 52), при х/хт>8 она зависит от скорости оседания взвешенных частиц выбросов. Приземную концентрацию вредных веществ в атмосфере су на расстоянии у от поверхности земли определяют по формуле cy = S2cx Безразмерная вели- чина S2 зависит от скорости ветра vm, м/с, расстояния от источника выброса и высоты над поверхностью земли: Для выброса холодной газовоздушной смеси (температура выбрасываемых газов близка к температуре окружающего воздуха) через одиночную трубу с круглым сечением устья минимальная высота трубы V пдк 8Q Высота трубы — важный фактор, воздействующий на уровни приземных концентраций вредных веществ. Следует иметь в виду, что с увеличением вы- соты отдельно стоящей трубы ее стоимость возрастает примерно пропорцио- нально кубу высоты. Поэтому иногда экономически целесообразно подвергать выбрасываемый воздух более тщательной очистке Приведенный в нормативах ОНД-86 коэффициент А установлен для срав- нительно часто наблюдаемых условий температурной стратификации атмосфе- ры При резком ухудшении условий реко- мендуется снижать производительность предприятий для уменьшения выбросов в атмосферу Такое решение проблемы более выгодно по сравнению со строительством труб большой высоты 1,0 0,8 0,6 04- ^Чй w~28 36 \h х/хт Значительная часть вредных ве- ^\__^ ществ на машиностроительных заво- ■ — дах поступает в атмосферу из низких затененных источников. Процессы распространения вредных веществ из низких затененных источников и из высоких незатененных труб отли- чаются друг от друга. Дополнитель- ным специфическим фактором явля- ется изменение зданиями направле- ния и скорости ветра, образование циркуляционных зон и зон по- вышения скоростей. Метод расчета рассеивания примесей от затененных источников выбросов, расположенных на крышах отдельно стоящих узких зда- ний, предложенный В. М. Эльтерманом, позволяет определить зна- чение и место нахождения максимальной концентрации примесей в 2 з 4 5 б 7 8х/хт Рис. 52. Зависимость безразмер- ной величины Si от х/хт- / — для аэрозолей ftF>2,0, 2 — для га- зообразных ВЫбрОСОВ ftjj,= l,0 144
заветренной или единой циркуляционной зоне. За расчетную ско- рость ветра принимают опасную скорость, при которой будут иметь место максимальные концентрации вредного вещества на заводской площадке. Согласно этой методике при рассеивании загрязненного воздуха из низких затененных труб или шахт максимальную концентрацию вредных веществ в приземном слое воздуха на заводской площадке определяют по уравнению £>а>гЯзя где ф — коэффициент скорости, учитывающий поле скоростей над зданием, обдуваемым ветром, kit — коэффициент, учитывающий изменение максималь- ной концентрации в приземном слое от относительной длины здания //Язд; / и //зд—длина и высота здания, м, wT—вертикальная составляющая скоро- сти выхода загрязненного воздуха, м/с, Е = Вг~°'15В''; В = -/Л2+3,3-Л; h = (Ятр — Язд)/Я3д. Значения коэффициента <р и параметров Е и В приведены ниже: h О 0,25 0,5 0,75 1,0 1,2 ф 0,8 1,0 1,1 1,2 1,4 1,4 В ' 0,55 0,635 0,72 0,81 0,93 1,02 Е ,, 1,11 0,83 0,59 0,40 0,26 0,18 Для зданий, расположенных среди застройки, и для широких зданий одной высоты <р=1,2; для зданий, находящихся в зоне аэродинамической тени впе- реди стоящего здания или в зоне подпора, ф = 0,8. Опасная скорость ветра для затененного точечного источника, при которой будут иметь место максимальные концентрации вредного вещества в призем- ном слое атмосферы, На выхлопных трубах, удаляющих загрязненный воздух, не следует уста- навливать зонты, которые гасят скорость на выходе из трубы и направляют загрязняющие вещества вниз, что приводит к значительному увеличению при- земной концентрации. При выбросе загрязненного воздуха через аэрационный фонарь отдельно стоящего здания максимальная концентрация вредных веществ в приземном слое равна: где й;ф — коэффициент, учитывающий отношения пазмеров здания; Отф— коли- чество вредных веществ, выбрасываемых через обе створки фонаря на 1 пог. м длины, г/м; qB=Lcp(lyx—ts)—количество теплоты в воздухе, уходящем через фонарь на 1 пог. м его длины, кДж/м с, L—объем воздуха, выбрасываемого через створки с обеих сторон фонаря на 1 пог. м его длины, нм3/м с; ср — объемная теплоемкость воздуха при постоянном давлении и нормальных усло- виях, кДж/(м3-град); tyx—температура воздуха, уходящего через фонари, °С; tB—температура наружного воздуха, °С. Значения 1/Нал, kit, £;ф приведены ниже: 145
1,0 1,2 — 2,0 1,3 0,9 3, 1 1 0 ,15 ,0 4,0 1,0 1,15 5,0 0,8 1,3 6,0 0,65 1,45 7,0 0,5 1,65 8,0 0,35 1,8 9,0 0,28 2,1 10,0 0,23 2,2 Опасную скорость ветра для отдельно стоящего здания с фонарем в зоне аэродинамической тени определяют по формуле При выбросе загрязненного воздуха через трубы, устье которых находит- ся в зоне аэродинамической тени ЯТр/Язд<2,5, максимальные концентрации вредных веществ в приземном слое атмосферы наблюдаются на расстоянии х„ = C—5) Язд На рис 53 представлен обобщенный график изменения кон- центрации по оси факела на разных относительных расстояниях х/Нзя от за- ветренной стороны здания, учитывающий изменения места максимальной кон- центрации от отношения Ятр/Язд. При выбросе загрязненного воздуха через аэрационный фонарь наиболь- шая концентрация вредного с/с, 0,8 0/t Рис. 53. График изменения относительной концентрации с/см по оси факела от отно- сительного расстояния л/Язд V Ятр///Зд вещества наблюдается на рас- стоянии 2,5 Язд от заветренной стороны здания, на заветренной стороне здания (х=0) она рав- на 60% от максимальной При х/ЯзД>2,5 расчет концентрации по оси, перпендикулярной длин- ной стороне фонаря, можно проводить по формуле сх = = с,„ехр[2,5—х/Нзя] Наличие последующих по потоку ветра зданий несколько увеличивает концентрации за зданием, на крыше которого расположен источник выделе- ния вредных веществ Это уве- личение при *кп/Я3д>1,0 может быть оценено поправкой кКп= 1 + 0,5 Язд/Хкп, где Хкп — расстояние между корпусами, м Концентрации вредных веществ на расстоянии у по перпендикуляру к оси факела выброса ориентировочно можно определить по формуле cy=SrCx. Без- размерную величину 5Г определяют так же, как и для высоких труб. Часто в практике проектирования приходится решать задачу по определению предельно допустимого выброса (ПДВ), при котором обеспечивается не превышающая ПДК смеси в приземном слое воздуха. Значения ПДВ, г/с, определяют по формулам: для случая рассеивания нагретых выбросов через одинокую незатененную трубу (ПДК - Сф) Akptnn для выбросов через низкую затененную трубу (ПДК - сф) DwrH3i ПДВтРз = ■ 0,53<р£*/т 146
для выбросов через фонарь (ПДК-<7Ф) @,1 ПДВф= где, кроме ранее обозначенных величин, 1ф — длина фонаря, м. Правила установления допустимых выбросов вредных веществ про- мышленных предприятий регламентированы ГОСТ 17.2.3.02—78. § 19. САНИТАРНО-ЗАЩИТНЫЕ ЗОНЫ Видное место в системе охраны атмосферного воздуха занимают планировочные мероприятия, позволяющие при постоянстве вало- вых выбросов существенно снизить воздействие загрязнения окружа- ющей среды на человека. Особое внимание следует уделять выбору площадки для промышленного предприятия и взаимному располо- жению производственных зданий и жилых массивов. Площадки для строительства промышленных предприятий и жилых массивов должны выбирать с учетом аэроклиматической характеристики и рельефа местности. Промышленный объект дол- жен быть расположен на ровном возвышенном месте, хорошо про- дуваемом ветрами. Площадка жилой застройки не должна быть выше площадки предприятия, в противном случае преимущество высоких труб для рассеивания промышленных выбросов практи- чески сводится на нет. Взаимное расположение предприятий и населенных пунктов определяется по средней розе ветров теплого периода года. Для данной местности промышленные объекты, являющиеся источника- ми выделения вредных веществ в окружающую среду, располага- ются за чертой населенных пунктов и с подветренной стороны от жилых массивов, чтобы выбросы уносились в сторону от жилых кварталов. Здания и сооружения промышленных предприятий обычно раз- мещают по ходу производственного процесса. При недостаточном расстоянии между корпусами загрязняющие вещества накаплива- ются в межкорпусном пространстве, которое оказывается в зоне аэродинамической тени. Расстояние между зданиями при удалении вредных веществ через аэрационные фонари в зону аэродинамиче- ской тени должно быть больше восьми высот впереди стоящего зда- ния, если оно широкое, и больше десяти Язд, если оно узкое. В этом случае загрязняющие вещества не будут накапливаться в межкор- пусной зоне. Цехи, выделяющие наибольшее количество вредных веществ, следует располагать на краю производственной террито- рии со стороны, противоположной жилому массиву. Кроме того, взаимное расположение цехов должно быть таким, чтобы при на- ппавлевии ветров в сторону жилых кварталов их выбросы не объе- динялись. 147
Требованиями «Санитарных норм проектирования промышлен- ных предприятий СН 245—71» предусмотрено, что объекты, являю- щиеся источниками выделения в окружающую среду вредных и не- приятно пахнущих веществ, следует отделить от жилой застройки санитарно-защитными зонами. Размеры этих зон до границы жилой застройки устанавливают в зависимости от мощности предприятия, условий осуществления технологического процесса, характера и ко- личества выделяемых в окружающую среду вредных и неприятно пахнущих веществ. В соответствии с классификацией промышлен- ных предприятий в зависимости от выделяемых вредностей установ- лено пять санитарно-защитных зон; для предприятий I класса — 1000 м; II класса —500 м; III класса —300 м; IV класса—100 м; V — класса — 50 м. Предприятия с технологическими процессами, не выделяющими в атмосферу вредных веществ, допускается размещать в пределах жилых районов. Машиностроительные предприятия по степени воз- действия на окружающую среду в основном относятся к IV и V классам. При наличии неблагоприятных аэрологических условий для рас- сеивания производственных выбросов в атмосфере, при отсутствии или недостаточной эффективности очистных устройств санитарно- защитная зона может быть увеличена, но не более чем в 3 раза по совместному решению Главного санитарно-эпидемиологического управления Минздрава СССР и Госстроя СССР. Размеры санитарно-защитной зоны могут быть уменьшены при изменении технологии, совершенствовании технологического про- цесса и внедрении высокоэффективных и надежных в эксплуатации очистных устройств. Санитарно-защитную зону нельзя рассматривать как резервную территорию предприятия и использовать ее для расширения про- мышленной площадки. Вместе с тем на территории санитарно-за- щитной зоны допускается размещать объекты более низкого класса вредности, чем основное производство, для которого установлена эта зона, а также пожарное депо, гаражи, склады, административ- ные здания, научно-исследовательские лаборатории, стоянки транс- порта и т. п. Для максимального ослабления влияния на окружающее насе- ление производственных загрязнений атмосферного воздуха терри- тория санитарно-защитной зоны должна быть благоустроена и озе- ленена газоустойчивыми породами деревьев и кустарников. Со стороны жилого массива ширина полосы древесно-кустарниковых насаждений должна быть не менее 50 м, а при ширине зоны до 100 м — не менее 20 м. При прохождении промышленных выбросов через озелененную зону разрыва концентрация содержащихся в них пыли и газов должна уменьшиться вдвое. Недостаточно продуманная система посадки зеленых насажде- ний может привести к отрицательному эффекту. Создание сплошно- 148
го лесного массива в санитарно-защитной зоне при низких источни- ках выброса вредных веществ, с одной стороны, максимально уменьшает опасность неблагоприятного воздействия предприятия на население, а с другой — в определенных случаях может способ- ствовать возникновению застоя и росту концентраций вредных ве- ществ на самой промышленной площадке в связи с ухудшением ес- тественного проветривания территории. § 20. МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ И ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ПЫЛЕ- И ГАЗООБРАЗНЫХ ПРИМЕСЕЙ В АТМОСФЕРЕ Интервал возможных концентраций загрязнений может изме- няться от 10~~8 до 105 мг/м3, а полидисперсные системы характери- зуются, как правило, еще и широким спектром размеров частиц от 10~2 до 103 мкм. Это исключает возможность создания универсаль- ного метода измерения концентраций атмосферного загрязнения и объясняет дифференцированный подход к способам их измерения. Независимо от используемого метода анализа контроль концен- траций вредных примесей сводится к следующим операциям: отбор проб воздуха, подготовка пробы к анализу, анализ и обработка результатов. Наиболее ответственным этапом при определении концентрации вредных примесей является представительный отбор проб воздуха, обеспечивающий достоверность результатов. Самым простым и рас- пространенным способом накопления газовой или пылевой пробы является протягивание воздуха воздуходувными устройствами (ас- пиратор, эжектор, насос) с определенной скоростью, регистрируе- мой расходомерным устройством (реометр, ротаметр, газовые ча- сы), через накопительные элементы, обладающие необходимой поглотительной способностью. Отбор проб воздуха, содержащего твердые и жидкие аэрозоли, проводят либо методом фильтрации, либо при использовании цент- робежных, инерционных и электростатических сил, либо методом термодиффузии. Метод фильтрации позволяет выделить частицы размером свы- ше 0,1 мкм. Этот метод основан на пропускании через фильтр определенного объема исследуемого воздуха при помощи аспира- ционного устройства. В качестве фильтрующих материалов в отече- ственных пылемерах применяют аналитические аэрозольные фильт- ры (АФА) на базе тканей ФПП-15, ФПМ-15 и др. Фильтры изго- тавливают с рабочей поверхностью круглого сечения диаметром 10, 18, 40, 100 и 160 мм. Выделение взвешенных частиц под действием сил инерции осуществляется в импакторах, что применимо для час- тиц размером более 0,5 мкм. Метод центробежного осаждения взве- шенных частиц пыли осуществляется в циклоне и позволяет выде- лить крупные частицы размером более 1 мкм. Методы термодиффу- 149
зии и электростатического осаждения позволяют выделить части- цы размером свыше 0,01 мкм. Отбор проб воздуха при анализе газо- и парообразных примесей осуществляется за счет протягивания воздуха через специальные твердые или жидкие поглотители, в которых газовая примесь кон- денсируется либо адсорбируется. В последние годы в качестве сор- бентов для концентрирования микропримесей используют раствори- мые неорганические хемосорбенты, пленочные и полимерные сор- бенты (полисорбы, порапаки, тенаке и др.). позволяющие улавливать из загрязненного воздуха самые различные химические вещества. Важным достоинством полимерных сорбентов являются их гидрофобность (влага воздуха не концентрируется в ловушке и немешает анализу) и способность сохранять в течение длительного времени без изменения первоначальный состав пробы. Для контроля запыленности часто используют гравиметрический (весовой) метод, который заключается в выделении частиц пыли из пылегазового потока и определении их массы. Концентрацию пыли рассчитывают по формуле с = m/Qr, где т — масса пробы пыли, мг; Q — объемный расход воздуха че- рез пробоотборник, м3/с; т — время отбора проб, с. Основные преимущества этого метода — получение массовой концентрации пыли и отсутствие влияния ее химического и дис- персного состава на результаты измерений. Однако метод отлича- ется большой трудоемкостью и длительностью процесса измерения. Для измерения концентрации промышленной пыли применяют также радиоизотопный и оптический метод. Контроль концентраций газо- и парообразных примесей атмос- ферного воздуха производится с помощью газоанализаторов, позво- ляющих осуществлять мгновенный и непрерывный контроль содер- жания в нем вредных примесей. Для экспрессного определения токсичных веществ используют универсальные газоанализаторы упрощенного типа (УГ-2, ГХ-2 и др.), основанные на линейно-коло- ристическом методе анализа. При просасывании воздуха через индикаторные трубки, заполненные твердым веществом-поглотите- лем, происходит изменение окраски индикаторного порошка. Длина окрашенного слоя пропорциональна концентрации исследуемого ве- щества, измеряемой по шкале в мг/л. Универсальный газовый ана- лизатор УГ-2, серийно выпускаемый отечественной промышленно- стью, позволяет определить концентрацию 16 различных газов и паров. Погрешность измерения не превышает ±10% от верхнего предела каждой шкалы. Выбор метода анализа загрязненного воздуха определяется при- родой примесей, а также ожидаемой концентрацией и целью анали- за [34]. 150
Для регистрации выбросов промышленных предприятий, а так- же исследования загрязнений атмосферы применяют лазерные ме- тоды, в которых учитывается рассеивание излучения лазера части- цами аэрозолей и молекулами газов. Рассеянная энергия попадает на приемную антенну локатора. Регистрируя и расшифровывая сле- ды взаимодействия лазерных импульсов с атмосферными слоями, можно извлечь информацию о давлении, плотности, температуре, концентрации различных газовых составляющих атмосферы и дру- гих параметрах. Создание лазеров большой мощности с узким и стабильным спектром излучения, с полностью автоматизированным циклом ра- бот и передачей результатов в вычислительный центр, совершенст- вование методов извлечения информации из результатов зондирова- ния позволяют осуществлять оперативный контроль степени загряз- нения атмосферы в широких масштабах. Наиболее распространенные модели приборов для измерения концентраций пыли и газообразных примесей в атмосферном возду- хе приведены в табл. 43. Таблица 43 Тип прибора ППА ПРИЗ ФЭКП АЗ-5 ФЭН-90 КДМ-1 ОА-5501 ФЛ-5601 «Атмосфе- КУ-3 8440 ГПН-А ГАИ-1 ГАИ-2 121ФА-01 Метод измерения Гравитационный (фильтрация) Радиоизотопный (C- — — П ТГ1ГТТП TtTI Л 1 излучение^ Ленточный фотометр Счетчик частиц (реги- страция рассеянного све- та) Нефелометрический Пьезоэлектрический Оптико-акустический Фотоколориметриче- ский Электрохимический Кондуктометрический Хемилюминесцентный Пламенно-ионизацион- ный Оптико-абсорбционный То же Инфракрасный абсорб- ционный Определяемое вещество Аэрозоль » СО, СН4, СО2 SO2, NH3, NO2, н s СО, СО2, пары nAUQUUQ UcrioH па NO* Углеводороды СО СО, СО2 со Измеряемая концентра- ция, мг/м3 Свыше 1,0 1—500 0—4000 1—300 0—300 0—100 0—4000 0—20 0—15 000 0—500 0—5 0—5 0—10% 0-5% 0-5% Погреш- ность, % ±20 ±15 ±20 ±20 ±5,0 ±8,0 ±5,0 ±10 — ±5,0 ±3,0 ±1,0 ±5 ±4 ±4 151
Контрольные вопросы 1. По каким физическим механизмам работают пылеулавливающие уст- ройства? 2. Как изменяется эффективность очистки циклонов при изменении вход- ной скорости, плотности и диаметра частиц, диаметра циклона? 3. Каковы достоинства и недостатки мокрых пылеуловителей по срав- нению с сухими? Где рационально использовать мокрые пылеуловители? 4 Какова роль электрического сопротивления улавливаемых частиц, пло- щади поверхности осадительных электродов и скорости газа в работе элек- трофильтров? 5. Перечислите условия, обусловливающие целесообразность применения тканевых фильтров, электрофильтров, скрубберов, аппаратов инерционного действия 6. В каких случаях рекомендуется применять многоступенчатую очистку и почему? 7. Назовите основные типы адсорбентов и схемы абсорберов, применя- емых в газоочистных установках 8. Назовите область применения физических (абсорбция и адсорбция) и химических (термическое и каталитическое дожигание) методов очистки от газообразных примесей 9. Если токсичность выбросов дизелей существенно ниже выбросов бен- зиновых ДВС, то почему дизели не применяются широко в автомобилях? 10. Какие проблемы возникают при эксплуатации каталитических реак- торов (нейтрализаторов)? 11. Назовите три основных механизма, способствующих рассеянию вред- ных выбросов в атмосфере.
ГЛАВА 3 ЗАЩИТА ВОДНОГО БАССЕЙНА § 21. НОРМИРОВАНИЕ КАЧЕСТВА ВОДЫ В ВОДОЕМАХ Нормирование качества воды рек, озер и водохранилищ прово- дят в соответствии с «Санитарными правилами и нормами охраны поверхностных вод от загрязнения» A988). «Санитарные правила и правила охраны поверхностных вод от загрязнения» устанавливают две категории водоемов (или их участков): I — водоемы питьевого и культурно-бытового назначе- ния и II—водоемы рыбохозяйственного назначения. Состав и свойства воды водных объектов первого типа должны соответствовать нормам в створах, расположенных в водотоках на расстоянии одного километра выше ближайшего по течению, а в не- проточных водоемах ■—в радиусе одного километра от пункта водо- пользования. Состав и свойства воды в рыбохозяйственных водое- мах должны соответствовать нормам в месте выпуска сточных вод при рассеивающем выпуске (наличие течений), а при отсутствии рассеивающего выпуска — не далее чем в 500 м от места выпуска.. Правила устанавливают нормируемые значения для следующих параметров воды водоемов: содержание плавающих примесей и взвешенных веществ, запах, привкус, окраска и температура воды, значение рН, состав и концентрации минеральных примесей и раст- воренного в воде кислорода, биологическая потребность воды в кис- лороде, состав и предельно допустимая концентрация (ПДК) ядо- витых и вредных веществ и болезнетворных бактерий. Вредные и ядовитые вещества разнообразны по своему составу, в связи с чем их нормируют по принципу лимитирующего показате- ля вредности (ЛПВ), под которым понимают наиболее вероятное неблагоприятное воздействие каждого вещества. При нормировании качества воды в водоемах питьевого и культурно-бытового назначе- ния используют три вида ЛПВ- санитарно-токсикологический, об- щесанитарный и органолептический. Для водоемов рыбохозяйствен- ного назначения наряду с указанными используют еще два вида ЛПВ: токсикологический и рыбохозяйственный. Санитарное состояние водоема отвечает требованиям норм при выполнении соотношения 153
SC) 2 c'jnaKt < l, A3) где с'т—концентрация вещества t-го ЛПВ в расчетном створе во- доема; ПДК; — предельно допустимая концентрация i-то вещества. Для водоемов питьевого и культурно-бытового назначения про- веряют выполнение трех A3), для водоемов рыбохозяйственного назначения — пяти неравенств. При этом каждое вещество можно учитывать только в одном неравенстве. Нормами установлены ПДК более 400 вредных веществ в водое- мах питьевого и культурно-бытового назначения, а также более 100 вредных веществ в водоемах рыбохозяйственного назначения. ПДК вредных веществ в водоемах рыбохозяйственного назначе- ния, как правило, меньше, чем в водоемах питьевого и культурно- бытового назначения. В табл. 44 представлены ПДК некоторых веществ в воде водоемов. Таблица 44 Вещество Бензол Фенолы Бензин, керосин Cd2+ Cu2+ Zn2+ Цианиды Cr6+ Водоемы I категории ЛПВ Санитарно токсико- логический Органо лептический То же Санитарно токсико- логический Органо-лептический Общесанитарный Санитарно токсико- югический Органолептический ПДК, г/м3 0,5 0,001 0,1 0,01 1 1 0,1 0,1 Водоемы 11 катеюрии ЛПВ Токсикологиче- ский Рыбохозяйствен- ный То же Токсикологиче- ский То же » ПДК, г/м3 0,5 0,001 0,05 0,005 0,01 0,01 0,05 0 «Санитарные правила и нормы охраны поверхностных вод от за- грязнения» запрещают сбрасывать в водоемы сточные воды, если этого можно избежать, используя более рациональную техно- логию, безводные процессы и системы повторного и оборотного во- доснабжения; если сточные воды содержат ценные отходы, которые можно было бы утилизировать; если сточные воды содержат сырье, реагенты и продукцию предприятий в количествах, превышающих технологические потери; если сточные воды содержат вещества, для которых не установлены ПДК. § 22. РАСЧЕТ ДОПУСТИМОГО СОСТАВА СТОЧНЫХ ВОД Определение допустимого состава сточных вод проводят в зави- симости от преобладающего вида примесей и с учетом характерис- тик водоема, в который сбрасывают сточные воды. 154
Расчет допустимого состава сточных вод по концентрации взве- шенных веществ. Допустимую концентрацию взвешенных веществ в очищенных сточных водах определяют по формуле своза < С" + пПДКвзв, где сввзв — концентрация взвешенных веществ в воде водоема до сброса в него сточных вод; ПДКВЗВ — предельно допустимая концен- трация взвешенных веществ в водоеме; га —кратность разбавления сточных вод в воде водоема, характеризующая долю расхода воды водоема, участвующей в процессе перемешивания и разбавления сточных вод. Расчет допустимого состава сточных вод по концентрации рас- творенных вредных веществ. Концентрацию каждого из растворен- ных вредных веществ в очищенных сточных водах определяют по формуле «о<«(<4-св) + св. где с'в — концентрация t-ro вещества в воде водоема до сброса сточ- ных вод; с1т — максимально допустимая концентрация того же вещества с учетом максимальных концентраций -и ПДК всех ве- ществ, относящихся к одной группе ЛПВ, вычисленная по формуле Расчет кратности разбавления сточных вод в водоемах. Разбав- ление сточных вод — это процесс уменьшения концентрации при- месей в водоемах, вызванный перемешиванием сточных вод с вод- ной средой, в которую они выпускаются. Интенсивность процесса разбавления количественно характеризуется кратностью разбав- ления: п = (cq — cb)/(c — св), где Со — концентрация загрязняющих веществ в выпускаемых сточных водах; св и с — концентрации загрязняющих веществ в во- доеме до и после выпуска соответственно. Для водоемов с направленным течением кратность разбавления удобнее определять по формуле A5) где Qr — объемный расход сточных вод, сбрасываемых в водоем с объемным расходом воды QB; m — коэффициент смешения, пока- зывающий, какая часть расхода воды в водоеме участвует в смеше- нии. Распространение примесей сточных вод обычно происходит в направлении установившихся течений в водоемах, в этом же на- правлении увеличивается и кратность разбавления. В начальном 155
сечении (место выпуска) кратность разбавления равна единице и в пределе, когда в процессе перемешивания участвует весь возмож- ный для данного водоема расход среды, наступает полное переме- шивание. При условии полного перемешивания сточных вод концентрация примесей в водоеме в произвольный момент времени равна: где t = V/(Qv+2QB—Qn)—период полного обмена воды в водое- ме; V — объем водоема; Qn — потери расхода воды в водоеме без уноса примесей, например при испарении. При проектировании и реконструкции машиностроительных предприятий, расположенных вблизи рек, в первую очередь необхо- димо оценить возможность сброса производственных сточных вод в реку. Наиболее прост расчет по методу Фролова — Родзиллера. Он основан на решении дифференциального уравнения турбулентной диффузии [11] при следующих допущениях: речной поток считает- ся безграничным, начальное разбавление отсутствует, выпуск сточ- ных вод сосредоточенный. Следует отметить, что для рек зона на- чального разбавления значительно короче, чем для озер и водохра- нилищ, поэтому в большинстве методик расчета разбавления сточ- ных вод в реках начальное разбавление не учитывают. Этим мето- дом определяют концентрацию примесей для максимально загрязненной струи потока реки без уточнения расположения этой струи, ее формы и размеров: Ъ г- «max = С + (СО — с) e~k * L , k = tyy^~DrIQv — коэффициент, характеризующий гидравличе- ские условия смешения; г|; — коэффициент, характеризующий место расположения выпуска сточных вод (для берегового выпуска t|3 = l, для выпуска в сечении русла if> = l,5); <$ = L/La — коэффици- ент извилистости русла; L — длина русла от сечения выпуска до расчетного створа; Ln — расстояние между этими же параллельны- ми сечениями в нормальном направлении; DT — коэффициент тур- булентной диффузии, определяемый по формуле Караушева: DT = —gHwx/Mcm, где g — ускорение силы тяжести; Я — средняя глу- бина русла по длине смешения; wx — средняя по сечению русла ско- рость течения реки на удалении L от места выпуска сточных вод; С\я =40...44 м°'5/с — коэффициент Шези [21]; М — функция коэф- фициента Шези, для воды М = 22,3 и0-5/с. Кратность разбавления определяют по формуле A5), а коэффи- циент смешения — по уравнению т = l + (QBJQv) ^ 156
Условия смешения сточных вод с водами озер и водохранилищ значительно отличаются от условий смешения в реках. Концентра- ция примесей значительно уменьшается в начальной зоне смешения, но полное перемешивание происходит на значительно больших уда- лениях от места выпуска, чем в реках. Кроме того, изменяющиеся во времени направление и значение скорости движения воздуха над озерами и водохранилищами переносят загрязнения в различном направлении от места выпуска. Расчет разбавления сточных вод в озерах и водохранилищах проводят двумя методами: методом Руф- феля и методом Лапшева [11]. Метод Руффеля применяется с ис- пользованием конечных разностей при решении дифференциального уравнения турбулентной диффузии. § 23. ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД При выборе способов и технологического оборудования для очистки сточных вод от примесей необходимо учитывать, что задан- ные эффективность и надежность работы любого очистного устрой- ства обеспечиваются в определенном диапазоне значений концентра- ций примесей и расходов сточной воды. Большинство цехов маши- ностроительных предприятий характеризуется постоянством расхо- да и состава сточных вод, однако в некоторых технологических про- цессах имеют место кратковременные изменения, что может сущест- венно уменьшить эффективность работы очистных устройств или вывести их из строя. Например, залповые сбросы отработанных технологических растворов в термических, травильных и гальвани- ческих цехах вызывают существенное увеличение концентрации тя- желых металлов в сточных водах на входе в очистные сооружения. Быстрое таяние снега, а также интенсивные дожди вызывают суще- ственное увеличение расхода поверхностных сточных вод на входе в очистные сооружения. Для обеспечения нормальной эксплуатации очистных сооруже- ний в указанных случаях необходимо усреднение концентрации примесей или расхода сточной воды, а в некоторых случаях и по обоим показателям одновременно. С этой целью на входе в очист- ные сооружения устанавливают усреднители, выбор и расчет кото- рых определяются характеристиками залповых сбросов. Например, методика расчета усреднителей концентрации примесей, заключа- ющегося в определении объема усреднителя, зависит от значения коэффициента подавления kn = (Сгаах — Сср)/(С д — Сср), где Стих — максимальная концентрация примесей в залповых сбро- сах сточной воды; сср — средняя концентрация примесей в сточной воде на входе в очистные устройства; сд — допустимая концентра- ция примесей в сточной воде, при которой обеспечивается нормаль- ная эксплуатация очистных сооружений. При ka^b объем усредни- 157
теля определяют по формуле V=kuAQx3, где AQ — превышение рас- хода сточных вод при залповом сбросе; т3 — продолжительность зал- пового сброса. При &п<5 объем усреднителя определяют по фор- муле V=AQx3/\n[kn/(fen—1)]. После расчета объема усреднителя выбирают необходимое число секций, исходя из условия AQH/V^l ^шд, где Н — высота секции усреднителя; шд = 0,0025 м/с — допус- тимая скорость движения сточной воды в усреднителе. Существует большое количество способов очистки сточных вод и различные виды их классификации. Выбор необходимых способов при проектировании станций очистки, как правило, основывается на виде и концентрации преобладающих примесей сточных вод, а именно механических (взвешенных), растворенных и органических. Очистка сточных вод от твердых частиц в зависимости от их свойств, концентрации и фракционного состава на машинострои- тельных предприятиях осуществляется методами процеживания, от- стаивания, отделения твердых частиц в поле действия центробеж- ных сил и фильтрования. Процеживание — первичная стадия очистки сточных вод — пред- назначено для выделения из сточных вод крупных нерастворимых примесей размером до 25 мм, а также более мелких волокнистых загрязнений, которые в процессе дальнейшей обработки стоков пре- пятствуют нормальной работе очистного оборудования. Процежива- ние сточных вод осуществляется пропусканием воды через решетки и волокноуловители. Решетки, изготовленные из металлических стержней с зазором между ними 5-4-25 мм, устанавливают в коллекторах сточных вод вертикально или под углом 604-70° к горизонту. Размеры попереч- ного сечения решеток выбирают из условия минимальных потерь давления потока на решетке. Скорость сточной воды в зазоре меж- ду стержнями решетки не должна превышать значений 0,8-f-1,0 м/с при максимальном расходе сточных вод. Расчет решеток сводится к определению числа зазоров п, ширины решетки В и потерь напора Ар сточной воды на ней по формулам: я = 1,05 [<?„/(*//«»»)], где Qy — объемный расход сточной воды; b — ширина прозора; Н —• глубина коллектора; wa — скорость движения сточной воды в про- зорах; где 6 — толщина стержня; где w — скорость в канале перед решеткой (до = 0,7-4-0,8 м/с); k — коэффициент, учитывающий увеличение сопротивления решетки в процессе осаждения в ее зазорах примесей сточных вод, принимает- ся равным 2-4-3; \ — коэффициент местного сопротивления решеток; 158
£=PF/6L/3sina; p — коэффициент, характеризующий форму попе- речного сечения стержней решетки: для круглых стержней р рав- но 1,79, прямоугольных — 2,42; овальных—1,83, а — угол накло- на решетки к горизонту. При эксплуатации решетки должны непрерывно очищаться, что осуществляется, как правило, механически, и лишь при задержании примесей в количествах менее 0,0042 м3/ч допускается ручная очистка.. Промышленность выпускает вертикальные решетки марки РММВ-1000, применяемые при ширине и глубине коллектора, рав- 800 ных 1000 мм, а также наклонные решетки марок МГ j^ 98, 1600 МГ Z^. 98, используемые при ширине коллектора, равной 800 A600) мм, и глубине 1200 B000) мм. Эти решетки очищают от за- держиваемых примесей механически с помощью вертикальных (РММВ-1000) и поворотных граблей. В зависимости от состава примеси, снятые с решеток, измельчают на специальных дробилках и сбрасывают в поток сточной воды за решеткой или направляют на переработку. Однако эта процедура усложняет технологическую схему очистки сточных вод и ухудшает качество воздушной среды в помещениях очистных станций. Для устранения этих недостатков применяют решетки-дробилки, измельчающие задержанные приме- си, не извлекая их из воды. Промышленность выпускает решетки- дробилки марок РД-200 и РД-600 с диаметром барабанов соответ- ственно 200 и 600 мм. Средний размер измельченных ими примесей не превышает 10 мм. Отстаивание основано на особенностях процесса осаждения твер- дых частиц в жидкости. При этом может иметь место свободное осаждение неслипающихся частиц, сохранивших свои формы и раз- меры, и осаждение частиц, склонных к коагулированию и изменя- ющих при этом свою форму и размеры. Закономерности свободного осаждения частиц практически сохраняются при объемной концен- трации осаждающихся частиц до 1%, что соответствует их массо- вой концентрации не более 2,6 кг/м3 (для частиц с р = 2600 кг/м3). Расчет очистных сооружений для отстаивания сточных вод тре- бует определения скорости осаждения (скорости витания) твердых частиц в жидкости. Скорость осаждения w0 может быть получена решением уравнения Стокса для движения сферической частицы в жидкости с учетом влияния силы гидравлического сопротивления, массовых сил и силы Архимеда: дао = —^ ; • A6) Уравнение A6) справедливо для ламинарного режима движе- ния (осаждения) частицы в жидкости. С увеличением размеров час- тиц скорости их осаждения возрастают и ламинарный режим тече- 159
ния нарушается. Для крупных частиц (d4> 1 мм) скорость осажде- ния определяется по формуле Риттенгера = k Рч —Рж где k — коэффициент, зависящий от формы и состояния поверхно- сти частиц. Экспериментальные исследования показали, что в зави- симости от вида частиц, их формы, размеров и состояния поверхно- сти величина коэффициента k составляет 1,2...2,3 [6]. Очистку сточных вод отстаиванием осуществляют в песколовках и отстойниках. Песколовки применяют для выделения частиц песка (стоки литейных цехов), окалины (стоки кузнечно-прессовых и про- катных цехов) и т. д. В зависимости от направления движения сточной воды песколовки делят на горизонтальные с прямолиней- ным и круговым движением воды, вертикальные и аэрируемые пес- коловки. На рис. 54 представлена схема горизонтальной песколовки с прямолинейным движением сточной воды, поступающей в песко- ловку 2 через входной патрубок 1. Оседающие в процессе движения воды твердые частицы скапливаются в шламосборнике 3 и на дне песколовки, а очищенная сточная вода через выходной патрубок 4 направляется для дальнейшей обработки. Удаление осадка из пес- коловок осуществляют, как правило, ежесуточно. (Глубину Ы выби- рают из условия hi/wo^Xnp- где тПр — время движения воды в пес- -у L «Г Рис. 54 Схема горизонтальной пес- койовки Рис. 55. Схема аэрируемой песколовки коловке, составляет обычно 30...100 с. Длину песколовки определяют по формуле L = khiw/wo, где w = 0,15...0,3 м/с — скорость движения воды в песколовке; &=1,3...1,7 — коэффициент, учитывающий влия- ние турбулентности и неравномерности скоростей движения сточной воды в песколовке. Ширину В песколовки определяют с учетом реализации заданного расхода сточных вод (Q); B = Q/hiwn, где п — число секций в песколовке. Расчет вертикальных песколовок заключается в определении требуемой ее глубины Я=тИр^у в предположении wa>wy, где шу = = 0,03...0,04 м/с — вертикальная составляющая скорости движения 160
и и _J l> |Р Рис. 56. Расчетная схема горизонтального от- стойника воды; время пребывания сточной воды в песколовке для практиче- ских расчетов принимают 120 с. Для разделения твердых частиц по фракционному составу или по плотности применяют аэрируемые песколовки (рие 55) в состав которых входят входная труба 1, воздуховод 2, воздухораспредели- тели Ф, выходная труба 4, шламосборник 5 с отверстием 6 для уда- ления шлама. Крупные фракции осаждаются, как и в горизонталь- ных песколовках. Мелкие же частицы, обволакиваясь пузырьками воздуха, всплывают наверх и с помощью скребковых механизмов удаляются с поверхности. Длина таких песколовок L = Время пребывания сточ- ной воды в песколовке составляет 30...90 с, а>х = 0,1...0,2 м/с, удель- ный расход аэрируемого воздуха 0,00083...0,0014 м3/(м2-с). Отстойники использу- ют для выделения из сточных вод твердых час- тиц размером менее 0,25 мм. По направлению дви- жения сточной воды в отстойниках последние делят на горизон- тальные, вертикальные, радиальные и комбинированные., При расчете отстойников определяют его длину и высоту. Суще- ствует несколько методов расчета длины отстойников, отличающих- ся ^физической моделью течения жидкости в нем с учетом завихре- ний жидкости, осаждения частиц и т. п. На рис. 56 представлена расчетная схема горизонтального отстойника, предложенная А. И. Жуковым. Здесь отстойник по длине разбит на три зоны: в первой зоне длиной U наблюдается неравномерное распределение 1,15/ скоростей по глубине потока. Длина этой зоны/j= у {H — hQ)/k, где йо —высота движущегося слоя в начале отстойника принима- ется равной 0,25 Н; k= @,018—0,02)шх. Во второй зоне длиной /2 скорость потока считается постоянной. При движении в этой зоне большая часть частиц загрязнений долж- на осесть в иловую часть отстойника,- поэтому l2=(H~hi)w%/ /(ma—0,5wx), где Л] — максимально возможная высота подъема частицы в первой зоне. В третьей зоне длиной /3 скорость потока увеличивается, и ус- ловия осаждения частиц ухудшаются. Длина этой зоны определя- ется по формуле l3 = H/tga, где а —угол сужения потока жидко- сти в выходной части отстойника, принимается равным 25 30°. Для расчета длины отстойника L = /, + /2 + /3 должны быть за- даны: расход сточной воды и геометрические размеры поперечно- го сечения отстойника. 6-521 161
На рис. 57 представлена схема {вертикального отстойника, В который очищаемая сточная вода поступает по трубопроводу 5 в кольцевую зону, образованную цилиндрической перегородкой 2 и корпусом $ отстойника. В процессе вертикального движения сточ^ ная вода встречает на своем пути отражательное кольцо 7, направн ляющее поток воды во внутреннюю полость перегородки 2, а тверт дые частицы оседают в шламосборнид $. Очищенная сточная вода поступает в кольцевой водосборник $ и через трубопровод J выво- дится из отстойника. Осадок, скапливающийся в шламосборнике 8, периодически удаляется из него через трубопровод 4. При заданном расходе очищаемой сточной воды геометрические размеры отстой- ника выбирают таким образом, чтобы скорость движения сточной, воды в кольцевой зоне не превышала скорость оседания твердых частиц в воде. Вертикальные отстойники используют для выделе! ния окалины из сточных вод кузнечно-прессовых и прокатные цехов. Широкое применение для очистки производственных сточные вод на больших заводах находят радиальные отстойники, облада Рис. 57. Схема вертикального от- стойника / \ в ,.л1" • > 7\ Рис. 58. Схема радиального отстойника ющие высокой производительностью. Очищаемая сточная вод, (рис. 58) по входному патрубку 1 с расширяющимся диаметров сечения на выходе поступает в отстойник и движется в радиально| направлении. Увеличение выходного диаметра патрубка обеспеч! вает при заданном расходе уменьшение скорости истечения сто1 ной воды из трубопровода и, следовательно, увеличение вероятн) сти ламинарного осаждения твердых частиц в отстойнике. Очище, ная сточная вода по отводящим трубопроводам 2 направляет- для дальнейшей обработки, а шлам направляется в шламосбо ник 3 вращающимся скребком 5 и через канал 4 периодичес; удаляется из отстойника.] Диаметр отстойника рассчитывают 162
скорости осаждения наиболее мелких твердых частиц womax, за- держиваемых в отстойнике D = V Q/яШотах- На промышленных предприятиях используют радиальные отстойники конструкции ВНИИ ВОДГЕО производительностью 0,2.. 0,362 м3/с Отделение твердых примесей в поле действия центробежных сил осуществляется в открытых или напорных гидроциклонах и центри- фугах. Открытые гидроциклоны применяют для отделения из сточных вод крупных твердых частиц со скоростью осаждения более Рис 59. Схема открыто- го гидроциклона Рис. 60 Схема каркасно-на- сыпного фильтра §02 м/с. Преимущества открытых гидроциклонов перед напорны- Ши — большая производительность и малые потери напора, не пре- НЫшающие 0,5 кПа. Эффективность очистки сточных вод от твердых ■истиц в гидроциклонах зависит от характеристик примесей (вида Материала, размеров и формы частиц и др.), а также от конструк- ционных и геометрических характеристик самого гидроциклона. На рис. 59 представлена схема ^открытого гидроциклона, состоя- щего из входного патрубка 1, кольцевого водослива 2, трубы для ггвода очищенной воды 3 и шламоотводящей трубы 4. Кроме ука- занной схемы известны гидроциклоны с нижним отводом очи- щенной воды и циклоны с внутренней цилиндрической перего- родкой. Производительность открытого гидроциклона Qv = 0,785 qD2, |1де D—диаметр цилиндрической части гидроциклона; q— удель- [ый расход воды, определяемый по формуле q = A,d>2 w0; для откры- ых гидроциклонов с внутренней цилиндрической перегородкой = 7,15 шо. При проектировании открытых гидроциклонов рекомендуются :ледующие значения геометрических характеристик: .0 = 2...10 м; зысота цилиндрической части H=D; диаметр входного отверстия 6* . 163
d = O,\D (при одном отверстии), при двух входных отверстиях d= = 0,0707 D; угол конической части а = 60°. Напорные гидроциклоны по конструкции аналогичны циклонам для очистки газов от твердых частиц (см. рис. 8). Их производи- тельность определяют по формуле Q = kDdpr2Ap/p, где k — коэф- фициент, зависящий от условий входа сточной воды в гидроциклон; для гидроциклонов с диаметром D цилиндрической части 0,125...0,6 м и углом конической части 30° значение к = 0,524; Ар— перепад дав- лений воды в гидроциклоне; р — плотность очищаемой сточной воды. Фильтрование сточных вод предназначено для очистки их от тонкодисперсных твердых примесей с небольшой концентрацией. Процесс фильтрования применяется также после физико-химиче- ских и биологических методов очистки, так как некоторые из этих методов сопровождаются выделением в очищаемую жидкость ме- ханических загрязнений. Для очистки сточных вод машиностроительных предприятий ис- пользуют два класса фильтров, зернистые, в которых очищаемую жидкость пропускают через насадки несвязанных пористых мате- риалов, и микрофильтры, фильтроэлементы которых изготовлены из связанных пористых материалов. В зернистых фильтрах широко используют в качестве фильтро- So о °o о oo о о oodVS /■ Рис. 61. Схема зернистого фильтра Рис. 62. Схема электромагнитного филь- тра материалов кварцевый песок, дробленый шлак, гравий, антрацит и т. п. Зернистые фильтры изготавливают однослойными и мно- гослойными. На рис. 60 представлена схема каркасно-насыпного фильтра. Очищаемая сгочная вода поступает по коллектору 3 и через отверстия в нем равномерно распределяется по сечению фильтра. Нисходящий поток сточной воды проходит через слои гравия 5 и песка 6, через перфорированное днище 2, установлен- ное на поддерживающем слое 1 гравия и через трубопровод 8 от- водится из фильтра. Регенерацию фильтра осуществляют продув- 164
кой сжатого воздуха, подаваемого в фильтр по трубопроводу 4, с последующей обратной промывкой водой через вентиль 7. Ско- рость фильтрования в данном фильтре составляет 0,0014...0,002 м/с для сточной воды, поступающей в фильтр из циклона или отстой- ника; для сточной воды, поступающей в фильтр после биологиче- ской очистки, — не более 0,0028 м/с. На рис. 61 представлена схема зернистого фильтра для очистки больших расходов сточных вод от твердых примесей. Сточная во- да по трубопроводу 4 поступает в корпус / фильтра и проходит через фильтровальную загрузку 3 из частиц мраморной крошки, шунгизита и т. п., расположенную между пористыми перегородка- ми 2 и 5. Очищенная от твердых частиц сточная вода скапливает- ся в объеме, ограниченном пористой перегородкой 5, и выводится из фильтра через трубопровод 9. По мере осаждения твердых частиц в фильтровальном материале перепад давления на фильтре увеличивается и при достижении предельного значения перекрыва- ется входной трубопровод 4 и по трубопроводу 10 подается сжатый воздух, вытесняя из фильтровального слоя 3 воду и твердые части- цы в желоб 6, которые через трубопроводы 7 и 8 выводятся из фильтра. Достоинством конструкции фильтра являются развитая поверхность фильтрования, простота и высокая эффективность. Для очистки сточных вод кузнечно-прессовых и прокатных цехов от ферромагнитных примесей применяют электромагнитные фильт- ры (рис. 62), в которых используют пондермоторные силы взаимо- действия между намагниченной фильтровальной загрузкой и ферро- магнитными примесями сточной воды. Исходная сточная вода через трубопровод 1 поступает в корпус 3 из немагнитного материала, проходит через ограничительную решетку 4, фильтровальную за- грузку 5 из ферромагнитных частиц с толщиной слоя 0,15...0,2 м; опорную решетку 6 и выводится из фильтра по трубопроводу 7. На- магничивание фильтровальной загрузки осуществляют магнитным полем, создаваемым катушкой индуктивности 2 с ферромагнитным сердечником. Эффективность очистки сточных вод от ферромагнит- ных и немагнитных примесей составляет соответственно 95...98 и 40...60%. Регенерацию фильтра осуществляют при выключенном электромагнитном поле неочищенной сточной водой в направлении фильтрования или в обратном направлении чистой водой. Очистка сточных вод от маслопродуктов в зависимости от их состава и концентрации осуществляется на машиностроительных предприятиях отстаиванием, обработкой в гидроциклонах, флотаци- ей и фильтрованием. Отстаивание основано на закономерностях всплывания масло- продуктов в воде по тем же законам, что и осаждение твердых час- тиц. Процесс отстаивания осуществляется в отстойниках и масло- ловушках. При проектировании очистных сооружений предусматри- вают использование отстойников как для осаждения твердых частиц, так и для всплывания маслопродуктов. При этом расчет 165
длины отстойника проводят по скорости осаждения твердых частиц и по скорости всплывания маслопродуктов и принимают макси- мальное из двух значений. Конструкция маслоловушек аналогична конструкции горизон- тального отстойника. При среднем времени пребывания сточной воды в маслоловушке, равном двум часам, скорость ее движения составляет 0,003...0,008 м/с. В результате отстаивания маслопродук- ты, содержащиеся в воде, всплывают на поверхность, откуда удаля- ются маслосборным устройством.] Для расчета маслоловушек необ- ходимо знать скорость всплывания маслопродуктов, которую оп- ределяют по формуле A6), и расход сточной воды. Тогда расчет сводится к определению геометрических размеров ловушки и вре- мени отстаивания сточной воды. Для очистки концентрированных маслосодержащих сточных вод'машиноетроительных предприятий, например стоков охлажда- ющих жидкостей металлорежущих станков, широко применяют обработку сточных вод специальными реагентами, способствующи- ми коагуляции примесей в эмульсиях. В качестве реагентов исполь- зуют Na2CO3, H2SO4, NaCl, Al2 (SO4K, смесь NaCl и A12(SO4K и др. В табл. 45 приведены значения эффективности очистки от масел сточных вод Челябинского трубопрокатного завода в отстойниках без обработки и с обработкой реагентами. Концентрация масла на входе в отстойник изменялась от 0,05 до 0,63 кг/м3. Отделение маслопродуктов в поле действия центробежных сил осуществляют в напорных гидроциклонах. При этом целесообраз- нее использовать напорный гидроциклон для одновременного выде- ления и твердых частиц и маслопродуктов, что необходимо учиты- вать в конструкции гидроциклона. На рис. 63 представлена схема напорного! гидроциклона, предназначенного для очистки сточной воды от металлической окалины и масла. Исходная сточная вода через установленный тангенциально по отношению к корпусу гид- роциклона входной трубопровод 1 поступает в гидроциклон. Вслед- ствие закручивания потока сточной воды твердые частицы отбра- Таблица 45 Реагенты Отстаивание без реагентов Сернокислое железо Fe2(S04b Хлорное железо FeCI3 Сернокислый алюминий AI2(SO4K Сернокислый алюминий + известковое мо- локо A0%) l2(SO4K+Ca(OHJ Сернокислый алюминий+ полиакриламид @,1%) A12(SO4K+RCONH2 Расход реагента, кг/м3 0,09 0,03 0,36 0,36 0,24 ...0,12 . 0.05 . 0,42 ... 0,42 ...0,36 Эффективность очистки 0,62 09 0,9 0,92 0,9 0,9 Д66
2, сь1ваются к стенкам гидроциклона и стекают в шламосборник 7, откуда периодически удаляются. Сточная вода с содержащимися в ней маслопродуктами движется вверх, при этом вследствие мень- шей плотности маслопродуктов они концентрируются в ядре закрученного потока, который поступает в приемную камеру 3, и через трубопровод 5 выво- дятся из гидроциклона для последую- щей утилизации. Сточная вода, очи- щенная от твердых частиц и масло- продуктов, скапливается в камере 2, откуда через трубопровод 6 отводится IX для дальнейшей очистки. Регулируемое ~^~ гидравлическое сопротивление 4 пред- назначено для выпуска воздуха, кон- центрирующегося в ядре закрученно- го потока очищаемой сточной воды. Указанные гидроциклоны используют для очистки сточных вод сортопрокат- ного цеха с концентрацией твердых частиц и маслопродуктов соответст- венно 0,13...0,16 и 0,01.-0,015 кг/м3 и эффективностью их очистки около 0,70 и 0,50. При расходе очищаемой сточной воды 5 м3/час перепад давлений в гидроциклоне состав- ляет 0,1 МПа. Очистка сточных вод от маслопримесей флотацией заключается в интенсификации процесса всплывания маслопродуктов при об- волакивании их частиц пузырьками воздуха, подаваемого в сточ- ную воду. В основе этого про- цесса лежит молекулярное сли- пание частиц масла и пузырь- ков тонкодиспергированного в воде воздуха. Образование аг- регатов «частица — пузырьки воздуха» зависит от интенсив- ности их столкновения друг с другом, химического взаимо- действия находящихся в воде веществ, избыточного давления воздуха в сточной воде и т. п. В зависимости от способа образования пузырьков возду- ха различают несколько видов Рис. 63. Схема комбинирован- ного напорного гидроциклона ,2 Рис. 64. Схема пневматической флота- ционной установки флотации: напорную, пневматическую, пенную, химическую, био- логическую, электрофлотацию и т. д. На рис. 64 представлена схема флотационной пневматической 167
установки, предназначенной для очистки сточных вод от маслопро- дуктов, поверхностно-активных и органических веществ, а также от взвешенных частиц малых размеров. Исходная сточная вода по тру- бопроводу 1 и отверстия в нем равномерно поступает во флотатор 10. Одновременно по трубопроводу 2 подается сжатый воздух, ко- торый через насадки 11 из пористого материала в виде мельчайших пузырьков равномерно распределяется по сечению флотатора. В процессе всплывания пузырьки воздуха обволакивают частицы маслопродуктов, поверхностно-активных веществ и мелких твердых частиц, увеличивая скорость их всплывания. Образующая- ся таким образом пена скапливается между зеркалом воды и крыш- кой 3 флотатора, откуда она отсасывается центробежным вентиля- тором 4 в пеносборник 5 и через трубопровод 6 направляется для обработки пены и извлечения из нее маслопродуктов. В процессе вертикального движения сточной воды во флотаторе содержащийся в воздухе кислород окисляет органические примеси, а при малой их концентрации имеет место насыщение воды кислородом. Очищенная таким образом сточная вода огибает вертикальную перегородку 9 и сливается в приемник 7 очищенной воды, откуда по трубопрово- ду 8 подается для дальнейшей обработки. В промышленности также используют метод электрофлотации, преимущества которого заключаются в том, что протекающие при электрофлотации электрохимические окислительно-восстановитель- ные процессы обеспечивают дополнительное обеззараживание сточ- ных вод. Кроме того, использование алюминиевых или железных электродов обусловливает переход ионов алюминия или железа в раствор, что способствует коагулированию мельчайших частиц за- грязнений, содержащихся в сточной воде. Очистка сточных вод от маслосодержащих примесей фильтрова- нием— заключительный этап очистки. Этот этап необходим, по- скольку концентрация маслопродуктов в сточной воде на выходе из отстойников или гидроциклонов достигает 0,01...0,2 кг/м3 и зна- чительно превышает допустимые концентрации маслопродуктов в водоемах. Кроме того, в оборотных системах водоснабжения до- пустимое содержание маслопродуктов в сточной воде на выходе из очистных сооружений во многих случаях меньше ПДК их в воде водоемов. Адсорбция масел (как и любых нефтепродуктов) на поверх- ности фильтроматериала происходит за счет сил межмолекуляр- ного взаимодействия и ионных связей. Существенное влияние на процесс осаждения маслопродуктов на фильтроматериал имеют электрические явления, происходящие на поверхности раздела кварц-водная среда, связанные с возникновением разности элек- трических потенциалов на этой поверхности и образованием двойного электрического слоя. На процесс адсорбции маслопро- дуктов влияют также и поверхностно-активные вещества (ПАВ), содержащиеся в сточной воде. 168
Исследования процессов фильтрования сточных вод, содержа- щих маслопримеси, показали, что кварцевый песок — лучший рнльтроматериал. Применение реагентов повышает эффективность дчистки, однако при этом значительно возрастает стоимость очи- стных сооружений и усложняется процесс их эксплуатации. Обра- зующийся при этом осадок требует дополнительных устройств для его переработки. В качестве фильтрующих материалов кроме кварцевого песка используют доломит, керамзит, глауконит. Эффективность очист- ки сточных вод от маслосодержащих примесей значительно по- вышается при добавлении волокнистых материалов (асбеста и отходов асбестоцементного производства). Перечисленные фильтрующие материалы характеризуются рядом недостатков: малой ско- ростью фильтрации и сложно- стью процесса регенерации. Эти недостатки устраняются при использовании в качестве фильтроматериала вспененного полиуретана. Пенополиурета- ны, обладая большой маслопог- лощательной способностью, обеспечивают эффективность очистки до 0,97...0,99 при скоро- сти фильтрования до 0,01 м/с, насадка из пенополиуретана легко регенерируется механи- ческим отжиманием маслопро- дуктов. На рис. 65 представлена схема фильтра-сепаратора с фильтровальной загрузкой из частиц пенополиуретана, пред- назначенного для очистки сточных вод от маслопродуктов и твер- дых частиц. Сточную воду по входному трубопроводу 5 подают под нижнюю опорную решетку 4. Вода проходит через фильтро- вальную загрузку в роторе 2, верхнюю решетку 4 и очищенная от примесей переливается в приемный карман 6 и выводится из кор- пуса / фильтра. При концентрации маслопродуктов и твердых частиц до 0,1 кг/м3 эффективность очистки составляет соответст- венно 0,92...0,98 и 0,90, а время непрерывной эксплуатации фильт- ра— 16...24 ч. Достоинством данной конструкции являются просто- та и высокая эффективность регенерации фильтра, для чего вклю- чают электродвигатель 7. При вращении ротора 2 с фильтроваль- ной загрузкой частицы пенополиуретана под действием центробеж- ных сил отбрасываются к внутренним стенкам ротора, выжимая Маслопродукты из ротора, которые поступают затем в карманы 3 169 Рис. 65. Схема фильтра-сепаратора
и направляются на регенерацию. Время полной регенерации фильт- ра составляет 0,1 ч. На рис. 66 представлена схема полиуретанового фильтра для очистки сточных вод от маслопримесей. Сточная вода по трубо- проводу 1 поступает в распределительную камеру 2 и через регу- лирующий вентиль 3 и водораспределительные окна 4 подается в фильтр 5, заполненный пенополиуретаном 6. Пройдя через слои фильтроматериала, сточная вода очищается от масла и взвешен- ных веществ и через сетчатое днище 13 отводится по трубопро- воду 14. Для поддержания постоянного уровня очищаемой воды в фильтре предусмотрена камера 12 с регулирующим вентилем 11. Регенерация частиц пенополиуретана осуществляется специ- альным устройством, установленным на передвижной тележке 10, что позволяет регенерировать весь объем фильтра. Насыщен- ные маслом частицы пенополиуретана цепным элеватором 7 по- дают на отжимные барабаны 8 и, освободив от маслообразных н взвешенных веществ, вновь подают в фильтр. Отжатые загрязне- ния по сборному желобу 9 отводят для дальнейшей переработки. В табл. 46 представлены характеристики пенополиуретановых фильтров. Очистка сточных вод от растворимых примесей осуществляет- ся экстракцией, сорбцией, нейтрализацией, электрокоагуляцией, эвапорацией, ионным обменом, озонированием и т. п. Экстракция — процесс перераспределения примесей сточных вод в смеси двух взаимно нерастворимых жидкостей (сточной Рис. 66. Схема полиуретанового фильтра воды и экстрагента), в соответствии с коэффициентом экстракции кэ—сэ/св, где сэ и св — концентрации примеси в эксграгенте и сточной воде по окончании процесса экстракции На машиностро- ительных предприятиях экстракцию применяют для очистки сточ- ных вод от фенола. При использовании в качестве экстрагента бен- зола или бутилацетата коэффициент экстракции составляет соот- ветственно 2,4 и 8 ... 12. Для интенсификации процесса экстрак- ции перемешивание смеси сточных вод с экстрагентом осуществ- 170
ляют в экстракционных колоннах, заполненных насадками типа колец Рашига. Сорбция наряду с использованием в процессах очистки газа (§ 16) широко применяется для очистки сточных вод от раствори- мых примесей. В качестве сорбентов используют практически лю- Формула 46 Расход сточной воды, м/с3 0,05 0,067 0,083 0,1 0,117 0,05 0,067 0.083 0,1 0,117 Концентрация масло- продуктов до фильтра, кг/м3 0,021 . 0,076 0,029. 0,085 0,037.. 0,069 0,029... 0,094 0,018...0,083 0,082 0,11 0,074 ...0,118 0,107 .0,223 0,084. 0 201 0,092 ...0,174 Продолжительность фильтрования, ч 63 42 33 27 21 18 12 9 6 5 Эффективность очистки 0,94 0,91 0,93 0,94 0,91 0,95 0,96 0,96 0,96 0,95 бые мелкодисперсные вещества (зола, торф, опилки, шлаки, гли- на), наиболее эффективным сорбентом является активированный уголь. Расход сорбента определяют по формуле т — Q ("о — ск)/а, где Q — расход сточной воды; со и ск — концентрации примесей в очищаемой и очищенной сточной воде; а — удельная сорбция, характеризующая количество примесей, поглощаемых единицей массы сорбента. Рис. 67. С тема сорбционной установки -сна •ш-ГП Рис. 68. Схема установки для нейтрализации сточных вод На рис. 67 представлена схема еорбционной установки, в ко- торой по трубопроводу 1 в адсорбер 2 поступает очищаемая сточ- ная вода. По трубопроводу 4 подается адсорбент, перемешивае- мый в сточной воде для равномерного распределения по объему 171
импеллером 3. Адсорбент с поглощенными им примесями оседает на дно адсорбера, откуда периодически удаляется через трубо провод 8. Сточная вода со взвешенными в ней частицами сор- бента по трубопроводу поступает в отстойник 5, в котором остав- шаяся часть адсорбента оседает на дно и периодически удаляет- ся из него по трубопроводу 7, а очищенная сточная вода направ- ляется по трубопроводу 6 для дальнейшей обработки. Вследствие обратимости процессов сорбции их целесообразно использовать для очистки сточных вод от примесей, которые можно использо- вать повторно в технологическом процессе. Нейтрализация сточных вод машиностроительных предприя- тий предназначена для выделения из сточных вод кислот (H2SO4, HC1, HNO3, H3PO4), щелочей (NaOH и КОН), а также солей металлов на основе указанных кислот и щелочей. Нейтра- лизация основана на объединении ионов водорода Н+ и гидрок- сильной группы ОН~ в молекулу воды, в результате чего сточная вода имеет pH»6,7 (нейтральная среда). Нейтрализацию осуществляют: смешением кислых и щелочных производственных сточных вод; смешением кислых производст- венных сточных вод с бытовыми, имеющими щелочной характер; добавлением щелочных (кислых) реагентов в кислые (щелочные) сточные воды или фильтрацией кислых сточных вод через фильт- ровальную загрузку щелочного характера, например из частиц известняка, мрамора или доломита. На рис. 68 представлена схема| установки для реагентной ней- трализации кислых сточных вод, в которой исходная сточная вода, предварительно очищенная в песколовке 1, через усредни- тель 2 поступает в смеситель 3, в который из бака 5 через доза- тор 4 поступает щелочной агент (гашеная известь). Из смесите- ля вода направляется в нейтрализатор 6 и затем в отстойник 7, из которого выводятся нейтрализованная сточная вода и осадок. Расход щелочного (кислого) реагента на нейтрализацию 1 м3 кислоты (щелочи), содержащейся в сточной воде, определя- ют по формуле m = cMi/M2, где с — концентрация кислоты (ще- лочи) или солей металлов, содержащихся в сточной воде, кг/м3; М2 — молекулярная масса кислоты (щелочи) или солей металлов, содержащихся в сточной воде; М{ — молекулярная масса щелоч- ного (кислого) реагента. Молекулярные массы кислот, солей ме- таллов и щелочей определяют суммированием молекулярных масс входящих в них элементов. В качестве реагента для нейтрализа- ции используют любые щелочи и их соли (NaOH, КОН, известь, известняк, доломит, мел, мрамор, магнезит, сода и др.). Наиболее дешевый и доступный реагент Са(ОНJ. Для нейтрализации сточных вод, содержащих щелочи и их соли, применяют кислоты, обычно техническую серную кислоту. Электрокоагуляция применяется для очистки сточных "вод гальванических и травильных отделений от хрома и других тяже- 172
лых металлов, а также от цианов. На рис. 69 представлена схема электрокоагуляционной установки для очистки сточных вод от шестивалентного хрома. Сточная вода из промывной ванны 2 гальванического участка насосом 1 по трубопроводу 3 поступает В проточный электролизер 6, в котором расположены электроды 5, питающиеся напряжением 12 ... 24 В от выпрямителя 4. При пропускании электрического тока с плотностью 50 ... 100 А/м2 через сточную воду, движущуюся по длине .электролизера в тече- ние 10 ... 15 мин, происходит анодное растворение поверхности стальных электродов и образующиеся при этом ионы двухвалент- ного железа восстанавлива- ют шестивалентный хром до трехвалентного. Одновре- менно происходит гидролиз ионов железа и трехвалент- ного хрома с образованием нерастворимых гидроксидов Fe(OHJ, Fe(OHK, и Сг(ОНK. Сточная вода со взвешенными в ней гидро- ксидами поступает из элек- тролизера в центрифугу 7, в которой происходит отделе- ние гидроксидов железа и хрома и удаление их через трубопровод 8. Очищенная от хрома вода по трубопро- воду 10 поступает для даль- нейшей очистки или при за- крытом вентиле 9 по трубопроводу 11 поступает использования в промывных ваннах. Ионообменные методы очистки сточных вод находят примене- ние практически в любых отраслях промышленности для очистки от многих примесей, в том числе и шестивалентного хрома. Эти методы позволяют обеспечить высокую эффективность очистки, а также получать выделенные из сточной воды металлы в виде относительно чистых и концентрированных солей. Для ионообменной очистки сточных вод используют синтети- ческие ионообменные смолы. На рис. 70 представлена схема ионообменной очистки сточных вод ванн хромирования от соеди- нений хрома. Сточные воды поступают в приемный резервуар /, откуда насосом 2 подаются в фильтр 3 для очистки от механи- ческих примесей. Очищенная от механических примесей сточная вода поступает в последовательно расположенные анионитовые фильтры 4 и 5, заполненные ионообменной смолой АВ-17 в ОН- форме. Очищенная таким образом сточная вода вновь подается в ванну хромирования 12. Вспомогательный катионитовый фильтр 173 Рис. 69 Схема электрокоагуляционной ус- тановки для очистки сточных вод для повторного
6 предназначен для дополнительной обработки сточной воды в пусковой период. В бак 7 поступают выделенные соединения хрома. Бак 8 предназначен для сбора отработанного раствора. Емкости 13 со щелочью я 14 с кислотой предназначены для про- мывки фильтров. Промывной раствор нейтрализуется в баке 11, куда через дозатор 9 одновременно подается необходимое для нейтрализации количество извести из бака 10. Озонирование — процесс обработки сточной воды озоном при- меняется для очистки от тяжелых металлов, цианидов, сульфи- дов и других растворимых примесей. При подаче озона в сточ- ную воду цианид-ионы окисляются в соответствии с уравнением CN- + О3 == CNO- + О2 A7) По мере окисления цианид-ионов в сточной воде появляются циа- нит-ионы CNO~, около 30% общего количества которых окисляет- ся в соответствии с уравнением 2CNO- + ЗО3 + Н2О = 2NCO3 + ЗО2 + 2Н+ A8) При этом реакция окисления CNO~ начинается в тот момент, когда концентрация цианид-иона в сточной воде уменьшается до 0,003 ... 0,004 кг/м3. Скорость протекания реакции A8) в семь Рис. 70. Схема установки для ионообменной очистки сточных вод раз меньше, чем A7). Остальные 70% цианит-ионов гидролизуют- ся в сточной воде с образованием NH3, который сразу же окис- ляется до NCh. Расход озона, необходимого для окисления цианидов, опреде- ляют по формуле 174
Здесь Q — расход сточной воды; с — необходимая концентрация озона в абсорбере, определяемая по формуле где AcCN-— разность концентраций цианидов в исходной и очищенной сточной воде; МОз и AfCN_— соответственно молеку- лярные массы озона и цианида. На рис. 71 представлена схема установки для очистки про- мывных сточных вод гальванического участка озоном. Воздух из компрессора 1 с давлением около 1 МПа проходит предваритель- ную осушку и очистку в теплообменнике 2, /' сепараторе 3, адсорбере 4, фильтре 5 и посту- пает в генератор озо- на 6, обычно трубча- того типа. Образую- щийся в генераторе 6 озон II подают в аб- сорберы 9, куда одно- временно через насос 8 поступает исходная сточная вода I из при- емного резервуара 7. В абсорберах 9 проис- ходит очистка сточной воды от цианидов в со- ответствии с реакцией, выраженной уравнени- ями A9) и B0). Очищенная сточная вода IV по трубопроводу на- правляется в оборотную систему водоснабжения или на слив. От- работанный воздух III из абсорберов 9 по трубопроводу направля- ется в приемный резервуар-усреднитель 7, в котором барботиру- ется через слои исходной сточной воды, обеспечивая равномерное распределение примесей в сточной воде. В табл. 47 показана кинетика процессов озонирования в зави- симости от исходной концентрации цианидов в сточной воде. Очистка сточных вод от органических примесей осуществляет- ся в основном билогическими методами, которые реализуют в естественных и искусственных сооружениях. В естественных со- оружениях очистку осуществляют на полях фильтрации или оро- шения и в билогических прудах. Суть биологической очистки на полях состоит в том, что при фильтровании сточной воды через слой почвы в ней адсорбируют- Рис. 71. Схема установки для озонирования сточных вод гачьваннческого участка 175
ся взвешенные и коллоидные вещества, которые со временем об- разуют в порах почвы микробиологическую пленку. Эта пленка адсорбирует и окисляет задержанные органические вещества, превращая их в минеральные соединения. Таблица 47 Время, мин 20 30 45 60 20 30 45 60 20 30 45 60 20 30 45 60 Исходная кон- центрация циа- нидов. кг/м3 0,571 0,255 0,11 0,077 Доля окисленных цианидов, % 12 15 27,7 42,4 21,5 41,3 60,5 70 44,6 84,3 96,4 97,5 92,4 93,8 99,2 99,8 рН сточных вод до озонирования 11,5 11 10,6 10,6 после озониро- вания 11,4 11 10,7 10,5 10,5 10,6 10,4 9,9 9,8 10,3 9,6 8,5 8,4 Различают биологические пруды с естественной и искусствен- ной аэрацией. Требуемая площадь прудов с искусственной аэра- цией существенно меньше за счет более равномерного перемеши- вания сточной воды подаваемым в него сжатым воздухом и до- полнительного поступления кислорода из подаваемого воздуха. На некоторых машиностроительных предприятиях используют биологические аэрируемые пруды для доочистки небольших рас- ходов сточных вод. Биологическая очистка сточных вод в искус- ственных сооружениях осуществляется в биологических фильтрах, аэротенках и окситенках. На рис. 72 представлена схема биологического фильтра с при- нудительной подачей воздуха. Исходная сточная вода по трубо- проводу 3 поступает в фильтр 2 и через водораспределительные устройства 4 равномерно разбрызгивается по площади фильтра. При разбрызгивании сточная вода поглощает часть кислорода воздуха. В процессе фильтрования через загрузку 5, в качестве которой используют шлак, щебень, керамзит, пластмассу, гравий и т. п., на загрузочном материале образуется биологическая пленка, микроорганизмы которой поглощают органические веще- ства. Интенсивность окисления органических примесей в пленке 176
существенно увеличивается при подаче сжатого воздуха через трубопровод / и опорную решетку 6 в направлении, противопо- ложном фильтрованию. Очищенная от органических примесей вода выводится из фильтра через трубопровод 7. Необходимый объем фильтровального материала определяют по формуле- V=(LZ—LK)Q/w, где La и LK — ВПК исходной и очищенной сточной воды; w — окислительная мощность — количе- ство кислорода, поступающее в сточную воду в единицу времени с 1 м3 фильтровальной за- грузки [13]. Аэротенки по конструк- ции аналогичны отстойни- кам, в которые помещают активный ил — микроорга- низмы и подают сжатый воз- дух, обеспечивающий интен- сификацию процесса окисле- 2- ния органических примесей. Окситенки — модифика- ции аэротенков, в которые вместо сжатого воздуха по- дают газообразный кисло- род. При этом процессы окисления существенно ин- тенсифицируются, однако усложняются условия экс- плуатации вследствие взры- вопожароопасности кислоро- да. На машиностроительных предприятиях аэротенки и окситенки используют редко. § 24. СХЕМЫ ОЧИСТНЫХ СООРУЖЕНИЙ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ «Санитарные правила и нормы охраны поверхностных вод от |агрязнения» регламентируют преимущественное использова- ние оборотных систем водоснабжения, в которых сточные воды после очистки вновь используют в технологических процес- ках. На машиностроительных заводах применяют в основном обо- ротные системы водоснабжения отдельных цехов и участков, стач- ные воды которых имеют стабильный состав примесей, или двух- ступенчатую очистку, при которой сточные воды предварительно очищают в локальных очистных сооружениях от примесей, наи- более характерных для данных участков и цехов, а затем осуще- ствляют доочистку на общезаводских очистных сооружениях. Выбор рассматриваемых направлений определяется типом и Мощностью предприятия, характеристиками источников водоснаб- 177 Рис. 72. Схема биологического фильтра
жения, степенью внедрения безотходных технологических про- цессов и т. п. На рис. 73 представлена оборотная система водоснабжения завода «Коммунар» [1], в соответствии с которой в основные и вспомогательные цеха 1 поступает питьевая 2, техническая 3, техническая деминерализованная 4 вода, а также очищенные сточные воды 1 и 17. Из общего количества образующихся на заводе производственных сточных вод 60,6% составляют маслосо- держащие сточные воды 5; 23,7%—сточные поды 9 с преобла- дающим содержанием твердых примесей; 1,6%—концентрирован- ные маслосодержащие сточные воды, в том числе: отработанные моющие и обезжиривающие растворы 8 и отработанные смазоч- но-охлаждающие жидкости 6; 1,2%—сточные воды окрасочных камер 7 и 12,8%—сточные воды с преобладающим содержанием растворимых примесей, в гом числе: циансодержащие 10, кис- лотно-щелоч/ные 11, никельсодержащие 12 и хромсодержащие 13 сточные воды. Маслосодержащие сточные воды очищают в очист- ных сооружениях 23 и очищенную сточную воду 1 вновь направ- ляют в технологический процесс, а выделенные маслопродукты направляют в сборник 22, откуда часть их поступает на установ- ку 20 для регенерации масел, а оставшаяся часть — на установку термической утилизации 21. Одновременно на очистные сооруже- ния 23 поступают 7 2 3 4 ,, предварительно очи- щенные в установке 24 отработанные смазочно - охлажда- ющие жидкости 6. В очистных сооружени- ях 25—27 осущест- вляют очистку соот- ветственно сточных вод окрасочных ка- мер 7, отработанных моющих и обезжири- вающих растворов 8 и сточных вод с пре- обладающим содер- жанием твердых час- тиц 9; которые после очистки вновь используют в технологическом процессе, а выделенные масла и твердые частицы направляют в сборник маслопродуктов 22 и шламосборник 19. Циансодержащие 10, кислотно-щелочные 11 и никельсодержащие 12 сточные воды после нейтрализации в нейтрализаторе 15 направляют в очистные сооружения 16, из которых очищенную сточную воду вновь подают в технологический процесс или сбрасывают в водоем по трубопро- воду 18. Хромсодержащие сточные воды 13 после выделения из них Рис. 73. Схема оборотного водоснабжения завода 178
хрома в очистных сооружениях 14 направляют для дальнейшей очистки на городскую станцию очистки сточных вод. На рис. 74 приведена схема локального оборотного водоснаб- жения окрасочных камер (см. позицию 25 на рис. 73). Образую- щиеся в окрасочных ваннах 1 сточные воды поступают в сборную емкость 9, откуда насосом 2 подаются в электрокоагулятор 3 с растворяемыми алюминиевыми электродами, питающимися от вы- прямителя 4. В электрокоагуляторе 3 образующиеся хлопья гидроксида алюминия поглощают твердые частицы, частицы Рис. 74. Схема локального оборотного водоснабжения окрасоч- ных камер краски и при поступлении воды в отстойник 5 указанные хлопье- образные конгломераты оседают на дно отстойника и затем по- даются в шламонакопитель 8. Очищенная таким образом сточная вода насосом 2 подается в электрокоагулятор 6 с нерастворимы- ми алюминиевыми электродами, в котором при протекании тока происходит обеззараживание сточной воды, направляемой в ре- зервуар 7, и затем для повторного использования очищенной воды в окрасочных ваннах. На Волжском автомобильном заводе [1] используют следую- щие локальные оборотные системы водоснабжения: — систему водоснабжения окрасочных установок, где образу- ющиеся сточные воды последовательно очищают в отстойниках с подачей 0,15 ... 0,4 кг/м3 коагулянта для интенсификации про- цесса коагуляции и в фильтрах с фильтровальной загрузкой из древесных стружек, подвергаемых сжиганию по мере их загряз- нения, очищенная сточная вода повторно используется в окрасоч- ных установках; — систему охлаждения оборудования (компрессоров, свароч- ных машин, печей, индукционных нагревателей, маслоохладите- лей, прессов и т. п.), где образующиеся сточные воды после ох- 179
лаждения в градирнях повторно используют в рассматриваемом технологическом цикле; — систему водоснабжения гидрошламоудаления и мокрого обеспыливания воздуха, где образующиеся сточные воды очищают в трехсекционных горизонтальных отстойниках с подачей полиак- риламида в качестве коагулянта; — систему водоснабжения трех гальванических цехов. Сточ- ные воды последовательно очищают: в отстойнике, двухслойном фильтре из песка и антрацита, угольном фильтре с активирован- ным углем КАД-9, Н-катионитном фильтре с катионитом КУ-23, слабоосновном анионитном фильтре с анионитом АН-251, сильно- основном анионитном фильтре с анионитом АВ-17-8 и повторно используют для промывки деталей после нанесения гальвано- покрытий. Наряду с рассмотренными на ВАЗ действуют общезаводские очистные сооружения, на которых сточные воды последовательно очищают в решетках, песколовках, отстойниках, коагуляторах и сбрасывают в реку Волгу. На рис. 75 представлена схема оборотного водоснабжения стана 2500 цеха холодной прокатки. Образующиеся при работе стана 8 сточные воды, содержащие, в основном, частицы метал- лической окалины и масла, направляются в отстойник /, где происходит выделение из воды твердых частиц и наиболее легких фракций масла, и затем в промежуточный отстойник 2, в котором происходит осаждение мелких фракций частиц Из отстойника 2 сточные воды отбираются насосом 3, на входе в который через трубопровод 4 подается сжатый воздух. Смесь воды с воздухом А _ —г Г' Отвод п масра А Рис. 75. Схема оборотного водоснабжения прокатного стана поступает в сатуратор 5 и после интенсивного перемешивания в нем направляется во флотатор 6 для окончательной очистки от маслопродуктов. Выделенные из сточной воды в отстойнике и флотаторе маслопродукты отводятся на участок их регенерации, а сточная вода из флотатора 6 поступает в промежуточный от- стойник 2 и затем в автоматический бумажный фильтр 7, в кото- 180
ром сточная вода очищается от твердых частиц и частиц масла размером менее 1...5 мкм. Очищенная таким образом сточная вода собирается в промежуточном отстойнике 2 и затем насосом 3 подается для охлаждения прокатываемых изделий и узлов стана. При разработке оборотных систем водоснабжения промышлен- ных предприятий необходимо планировать очистку и повторное использование поверхностных сточных вод с учетом следующих направлений оптимального решения задачи: — локализация стока с отдельных участков территории пред- приятия и его отвод либо в общезаводские очистные сооружения, либо (после предварительной очистки) в общую схему очистки поверхностных сточных вод; Рис. 76. Схема очистки поверхностных сточных вод — раздельная организация стоков с водосборных участков, отличающихся по составу и количеству примесей, поступающих в поверхностные сточные воды; — очистка поверхностного стока совместно с производствен- ными сточными водами; — локальные очистные сооружения для поверхностных сточ- ных вод. На рис. 76 представлена схема очистки поверхностных сточ- ных вод с территории предприятия [1]. Сточные воды из водо- сборных коллекторов по трубопроводу 2 поступают в отстойник- усреднитель /, откуда насосом 4 они подаются на песчаный фильтр 6 и далее поступают в емкость 7 очищенной воды и по трубопроводу 8 направляются для использования в различных Целях. Осадок, скапливающийся в отстойнике-усреднителе /, поступает в уплотнитель осадка 12, в который также по трубопро- 181
воду // подают осадок из резервуара промывной воды 10, обра- зующейся при промывке фильтра 6 очищенной водой, отбирае- мой насосом по трубопроводу 9. Промывная вода из фильтра 6 поступает в резервуар 10 по трубопроводу 5 и насосом 4 через трубопровод 3 направляется в отстойник-усреднитель 1. Уплот- ненный осадок периодически удаляется из уплотнителя 12 по трубопроводу 13. Очищенные поверхностные сточные воды используют для под- питки оборотных систем водоснабжения. Используют их и в си- стемах пожаротушения, при этом очистка сточных вод ограничи- вается, как правило, отстаиванием в прудах. § 25. МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ВОДЫ Контроль требований к нормируемым показателям качества воды в водоемах осуществляют периодическим отбором и анали- зом проб воды из поверхностных водоемов. ГОСТ 2874—82 рег- ламентирует анализ проб из поверхностных источников водоснаб- жения не реже одного раза в месяц. Количество проб и места их отбора определяют в соответствии с гидрологическими и санитар- ными характеристиками водоема и согласовывают с местными органами санитарно-эпидемиологической службы. При этом счи- тается обязательным отбор проб непосредственно в месте водоза- бора и на расстоянии 1 дм выше по течению для рек и каналов, а для озер и водохранилищ — на расстоянии 1 км от водозабора (в двух диаметрально расположенных точках). В настоящее вре- мя наряду с анализом проб воды в лабораториях используют ав- томатические станции контроля качества воды, которые могут одновременно измерять 8... 10 показателей качества воды. Суще- ствующие отечественные передвижные автоматические станции контроля качества воды измеряют концентрацию растворенного в воде кислорода (от 0 до 0,025 кг/м3), электрическую проводи- мость A0 ... Ю-2 Ом/см), рН D ... 10), температуру @ ... 40°С), уровень воды @ ... 12 м), концентрацию взвешенных ве- ществ @ ... 2 кг/м3), меди @ ... 0,001 кг/м3). На очистных сооружениях машиностроительных предприятий осуществляют контроль состава исходных и очищенных сточных вод, а также контроль эффективности работы очистных сооруже- ний. Состав производственных сточных вод может значительно ко- лебаться в зависимости от вида и режимов технологического процесса. Контроль состава исходных и очищенных сточных вод осуществляют один раз в 10 дней. Пробы сточной воды отбирают в предварительно очищенную посуду, изготовленную из боросиликатного стекла или полиэтиле- на Анализ следует проводить не позже чем через 12 ч после отбора пробы, так как при большем времени выдерживания про- 182
бы в составе сточной воды могут произойти существенные изме- нения. Контроль состава сточных вод заключается в измерении орга- нолептических показателей воды; рН среды; содержании грубо- дисперсных (взвешенных) веществ; химического потребления кислорода (ХПК); количества растворенного в воде кислорода, биохимического потребления кислорода (БПК) и концентрации вредных веществ, для которых существуют нормируемые значе- ния ПДК. Из органолептических показателей воды при анализе состава сточных вод контролируют цвет и запах. Цвет воды устанавлива- ют измерением ее оптической плотности на спектрофотометре при различных длинах волн проходящего света. Значение рН в сточных водах определяют электрометрическим способом, основанным на том, что при изменении рН в жидкости на единицу потенциал стеклянного электрода, опущенного в эту жидкость, изменяется на постоянную для данной температуры величину (например, на 59,1 мВ при температуре 298 К, на 58,1 мВ при 293 Кит. д.). Отечественная промышленность выпуска- ет рН-метры марок KJI-5, МТ-58, ЛПУ-01 и др. При определении грубодисперсных примесей в сточной воде измеряют массовую концентрацию механических примесей и фракционный состав частиц, для чего применяют фильтрование пробы сточной воды через специальные фильтроэлементы, а так- же измерение количества «сухого» осадка. Кроме этих характери- стик периодически вычисляют скорости всплывания (осаждения) механических примесей. Эти анализы особенно актуальны в период отладки очистных сооружений. Под ХПК понимается величина, характеризующая общее со- держание в воде восстановителей, реагирующих с сильными оки- слителями. Выражается ХПК количеством кислорода, необходи- мым для окисления всех содержащихся в воде восстановителей. На практике окисление пробы сточной воды производится раст- вором бихромата калия в серной кислоте. Измерение ХПК осу- ществляют арбитражными методами, проводимыми с большой Точностью за длительный период времени, и ускоренными метода- ми, применяемыми для ежедневных анализов с целью контроля работы очистных сооружений или состояния воды в водоеме при Постоянном расходе и составе сточных вод. Содержание растворенного кислорода измеряют после заклю- чительного процесса очистки непосредственно перед сбросом воды в водоемы. Это необходимо знать для оценки коррозионных свойств воды, а также для вычисления биологической потребности Кислорода. Из лабораторных методов наибольшее применение имеет иодометрический метод Винклера для обнаружения раст- воренного кислорода с концентрацией более 0,0002 кг/м3. Мень- шие концентрации измеряют колориметрическими методами, ос- 183
нованными на изменении интенсивности цвета соединений, обра- зовавшихся в результате реакции между специальными красите- лями и сточной водой. Для автоматического измерения использу- ют отечественные приборы: ЭГ-152-003 с пределами измерений О ... 0,1 кг/м3; AKXI-100,1 и 0,01 ... 0,02 кг/м3, а также «Окси- метр» с пределами измерения 0 ...0,01 и 0,01 ... 0,02 кг/м3. Под БПК. подразумевается количество кислорода (в милли- граммах), необходимое для окисления в аэробных условиях в результате происходящих в воде биологических процессов органи- ческих веществ, содержащихся в 1 л сточной воды. Определение БПК производят на основе анализа изменения количества раство- ренного кислорода с течением времени. На практике обычно ис- пользуют пятисуточное биохимическое потребление кислорода — БПКб. Измерение концентрации вредных веществ, для которых уста- новлены ПДК, проводят на различных ступенях технологической схемы очистки, в том числе перед выпуском сточной воды в во- доем. Контрольные вопросы 1. Какие показатели определяют допустимый состав сточных вод про- мышленного предприятия? 2. Приведите способы очистки сточных вод в цехах машиностроитель- ных предприятий. 3. Каковы схемы очистки поверхностных сточных вод с территории ма- шиностроительных предприятий? 4. Назовите наиболее эффективные способы и методы очистки масло- содержащих сточных вод. 5. Каковы перспективм совершенствования систем водоснабжения ма- шиностроительных предприятий?
ГЛАВА 4 БЕЗОТХОДНЫЕ И МАЛООТХОДНЫЕ ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ § 26. КЛАССИФИКАЦИЯ ОТХОДОВ В процессе производства образуется большое количество от- ходов, которые при соответствующей обработке могут быть вновь использованы как сырье для производства промышленной про- дукции. Все виды промышленных отходов делят на твердые и жидкие. Твердые — отходы металлов, дерева, пластмасс и дру- гих материалов, пыли минерального и органического происхож- дения от очистных сооружений в системах очистки газовых вы- бросов промышленных предприятий, а также промышленный му- сор, состоящий из различных органических и минеральных ве- ществ (резина, бумага, ткань, песок, шлак и т. п.). К жидким отходам относят осадки сточных вод после их обработки, а также шламы пылей минерального и органического происхождения в системах мокрой очистки газов. Для полного использования отходов в качестве вторичного сырья разработана их промышленная классификация. Например, лом и отходы металлов по физическим признакам подразделяют на классы, по химическому составу — на группы и марки, по по- казателям качества — на сорта (ГОСТ 1639—78*). Критерием определения целесообразности переработки отходов в местах их образования является количество и степень исполь- зования отходов в производстве. Большая доля в общем объеме твердых отходов принадлежит металлическим отходам. Вторич- ные ресурсы металлов складываются из лома D3%) и отходов E7%). Ломом называют изношенные и вышедшие из употребле- ния детали и изделия из металлов и сплавов, отходами — про- мышленные отходы всех стадий передела, содержащие металлы Или состоящие из них, получаемые при плавке и механической Обработке, а также не поддающийся исправлению брак деталей и Изделий, возникающий в процесе производства. Так, в черной Металлургии образование лома и отходов металлов на 1 т вы- плавляемой стали достигает 650 кг, поэтому вопрос о рациональ- ном использовании металлических отходов приобретает важное значение. В СССР разработана специальная отчетность (форма № 1) 185
«Промотходы», по которой все промышленные предприятия дол- жны отчитываться перед горисполкомами и вышестоящими орга- низациями. Основными направлениями ликвидации и переработки твердых промышленых отходов (кроме металлоотходов) являют- ся вывоз и захоронение на полигонах, сжигание, складирование и хранение на территории промышленного предприятия до появ- ления новой технологии переработки их в полезные продукты (сырье). § 27. ОБРАБОТКА ТВЕРДЫХ ОТХОДОВ Обработку целесообразно проводить в местах образования отходов, что сокращает затраты на погрузочно-разгрузочные ра- боты, снижает безвозвратные потери при их перевалке и транс- портировке и высвобождает транспортные средства. Эффективность использования лома и отходов металла зави- сит от их качества. Загрязнение и засорение металлоотходов приводят к большим потерям при переработке, поэтому сбор, хра- нение и сдача их регламентируются специальными стандартами: ГОСТ 2787-—75* «Лом и отходы черных металлов. Шихтовые. Классификация и технические требования»; ГОСТ 1639—78" «Лом и отходы цветных металлов и сплавов. Общие требования» и др. Основные операции первичной обработки металлоотходов— сортировка, разделка и механическая обработка. Сортировка заключается в разделении лома и отходов по видам металлов. Разделка лома состоит в удалении неметаллических включений. Механическая обработка включает рубку, резку, пакетирование и брикетирование на прессах. Пакетирование отходов организуется на предприятиях, на ко- торых образуется 50 т и более высечки и обрезков в месяц. Каж- дая партия должна сопровождаться удостоверением о взрывобе- зопасности и безвредности. Стружку перерабатывают на пакети- рующих прессах, стружкодробилках, брикетировочных прессах. Брикетированию (окускование механическим уплотнением на прессах, под молотком и других механизмах) подвергается сухая и неокисленная стружка одного вида, не содержащая посторонних примесей с длиной элемента до 40 мм для стальной и 20 мм для чугунной стружки. Прессование вьюнообразной стружки целесо- образно проводить в отожженном состоянии, так как при этом отпадает необходимость выполнения таких подготовительных one раций, как дробление, обезжиривание, отбор обтирочных матери- алов и мелких кусков металла. На предприятиях, где образуется большое количество метал- лоотходов, организуются специальные цехи (участки) для утили- зации вторичных металлов. Чистые однородные отходы с паспор- 186
том, удостоверяющим их химический состав, используют без пред- варительного металлургического передела. Отходы древесины широко используют для изготовления това- ров культурно-бытового назначения и хозяйственного обихода, изготовляемых главным образом методом прессования. Кроме того, переработанные древесные отходы применяются в производ- стве древесно-стружечных плит, корпусов, различных приборов и т. п. На большинстве промышленных предприятий пластмассы и древесные отходы входят в состав промышленного мусора пред- приятий, при этом разделение мусора на отдельные его компо- ненты оказывается экономически нецелесообразным. В настоящее время разработаны и внедрены в промышленном масштабе тех- нологии обработки, утилизации и ликвидации промышленного мусора. Качественный и количественный состав промышленного мусора любого предприятия примерно стабилен в течение года, поэтому технология переработки мусора разрабатывается приме- нительно к конкретному предприятию и определяется составом и количеством промышленного мусора, образующегося на террито- рии. Переработку промышленных отходов производят на специаль- ных полигонах, создаваемых в соответствии с требованиями СНиП 2.01.28—85 и предназначенных для централизованного сбора, обезвреживания и захоронения токсичных отходов про- мышленных предприятий, НИИ и учреждений. Приему на поли- гоны подлежат: мышьяксодержащие неорганические твердые от- ходы и шламы; ртутьсодержащие отходы; циансодержащие сточ- ные воды и шламы; отходы, содержащие свинец, цинк, олово, кадмий, никель, сурьму, висмут, кобальт и их соединения; отходы гальванического производства, использованные органические ра- створители; органические горючие (обтирочные материалы, ве- тошь, твердые смолы, обрезки пластмасс, оргстекла, остатки ла- кокрасочных материалов, загрязненные опилки, деревянная тара, промасленная бумага и упаковка, жидкие нефтепродукты, не под- лежащие регенерации, масла, загрязненные бензин, керосин, нефть, мазут, растворители, эмали, краски, лаки, смолы); неис- правные рт>тные дуговые и люминесцентные лампы; формовочная земля; песок, загрязненный нефтепродуктами; испорченные бал- лоны с остатками веществ и др. Жидкие токсичные отходы перед вывозом на полигон должны быть обезвожены на предприятиях. Приему на полигон не подлежат: отходы, для которых разра- ботаны эффективные методы извлечения металлов и других ве- Ществ; нефтепродукты, подлежащие регенерации; радиоактивные отходы. Переработка отходов на полигонах предусматривает исполь- зование физико-химических методов; термическое обезвреживание с утилизацией теплоты, демеркуризацию ламп с утилизацией 187
ртути и других ценных металлов, прокаливание песка и формовоч- ной земли, подрыв баллонов в специальной камере, затаривание отходов в герметичные контейнеры и их захоронение. Полигоны должны иметь санитарно-защитные зоны: завод по обезвреживанию токсичных отходов мощностью 100 тыс. т и более отходов в год— 1000 м; завод мощностью менее 100 тыс. т в год — 500 м; участок захоронения токсичных отходов — не ме- нее 3000 м. Нормирование химического загрязнения почв устанавливается по предельно допустимым концентрациям (ПДКп). По своей ве- личине ПДКп значительно отличается от принятых допустимых концентраций для воды и воздуха. Это отличие объясняется тем, что поступление вредных веществ в организм непосредственно из почвы происходит в исключительных случаях и в незначительных количествах. В основном через контактирующие с почвой среды (воздух, вода, растения). ПДКп — это концентрация химического вещества в мг на кг почвы в пахотном слое почвы, которая не должна вызывать пря- мого или косвенного отрицательного влияния на соприкасающие- ся с почвой среды и здоровье человека, а также на самоочищаю- щую способность почвы. Регламентирование загрязнения осу- ществляется в соответствии со списками № 2264-80 от 30.10.80; № 2546-82 от 30.04.82 и Приложения к списку № 2546-82 Мин- здрава СССР. Существует четыре разновидности ПДКп (табл.48) в зависимости от пути миграции химических веществ в сопредель- ные среды: ТВ — транслокационный показатель, характеризую- щий переход химического вещества из почвы через корневую си- стему в зеленую массу и плоды растений; МА — миграционный воздушный показатель, характеризующий переход химического вещества из почвы в атмосферу; MB — миграционный водный по- казатель, характеризующий переход химического вещества из поч- вы в подземные грунтовые воды и водоисточники; ОС — общеса- нитарный показатель, характеризующий влияние химического ве- щества на самоочищающую способность почвы и микробиоценоз. Таблица 48 Вещество Марганец Мышьяк Ртуть Свинец Хром Бенз(а)пирен ПДКП, мг/кг 1500 по ОС 2 по ОС 2,1 по ОС 20 по ОС 0,05 по MB 0,02 по ОС Вещество Бромфос Псрхлордивинил Изопропилбен- эол Фосфора оксид Р2О5 а Метилстирол Формальдегид ПДК„, мг/кг 0,4 по ТВ 0,5 по ТВ 0,5 по МА 200 по ТВ 0,5 по МА 7 по ОС 188
Отбор проб почвы проводят на участке площадью 25 м2 в 3— 5 точках по диагонали с глубины 0,25 м, а при выяснении влия- ния загрязнений на грунтовые воды с глубины 0,75—2 м в коли- честве 0,2—1 кг. В случае применения новых химических соеди- нений, для которых отсутствуют ПДКп, проводят расчет времен- ных допустимых концентраций (ВДК)п по формуле ВДК„ = 1,23+0,48 lg ПДКПР, где ПДКпр — предельно допустимая концентрация для продук- тов (овощные и плодовые культуры), мг/кг. §28. УТИЛИЗАЦИЯ И ЛИКВИДАЦИЯ ОСАДКОВ СТОЧНЫХ ВОД Осадки сточных вод, скапливающиеся на очистных сооруже- ниях, представляют собой водные суспензии с объемной концент- рацией полидисперсной твердой фазы от 0,5 до 10%- Прежде чем направить осадки сточных вод на ликвидацию или утилизацию, их подвергают предварительной обработке для получения шлама, свойства которого обеспечивают возможность его утилизации или ликвидации с наименьшими затратами энергии и загрязнениями окружающей среды. Технологический цикл обработки осадков сточных вод, представленный на схеме 3. Уплотнение осадков сточных вод является первичной стадией их обработки. Распространены гравитационный и флотационный методы уплотнения, осуществляющиеся в отстойниках-уплотните- лях в установках напорной флотации. Применяется также центро- бежное уплотнение осадков в циклонах и центрифугах. Перспек- тивно вибрационное уплотнение путем фильтрования осадка сточ- ных вод через фильтрующие перегородки или с помощью погру- женных в осадок вибраторов. Стабилизация осадков используется для разрушения биологи- чески разлагаемой части органического вещества, что предотвра- щает загнивание осадков при длительном хранении на открытом воздухе (сушка на иловых площадках, использование в качестве сельскохозяйственных удобрений и т. п.). Для стабилизации осадков промышленных сточных вод при- меняют в основном аэробную стабилизацию — длительное аэри- рование осадков в сооружениях типа аэротенков, в результате Чего происходит распад основной части биологически разлагае- мых веществ, подверженных гниению. Период аэробной стабили- зации при температуре 20°С составляет 8—11 сут, расход кисло- рода для стабилизации 1 кг органического вещества активного Ила — 0,7 кг. Используется данный метод для обработки осадков с расходом до 4200 м3/ч. Кондиционирование осадков проводят для разрушения колло- идной структуры осадка органического происхождения и увели- чения их водоотдачи при обезвоживании. В промышленности 189
Схема 3. Технологический цикл обработки осадков сточных вод Исходный осадок Уплотнение гравитационное флотационное центробежное вибрационное т Обезвоживание сушка на иловых площадках вакуум-фильтрация фильтр-прессование центрифугирование виброфильтрование термическая сушка Ликвидация сжигание в печах жидкофазное окисление сброс в накопители закачка в земляные пустоты вывоз на свалки L Стабилизация сбраживание аэробная стабилизация Кондиционирование обработка неорганическими реагентами тепловая обработка обработка полиэлектролитами замораживание электрокоагуляция Утилизация использование в сельском хозяйстве производство строительных материалов производство сорбентов регенерация металлов применяют в основном реагентный метод кондиционирования с помощью хлорного железа и извести. Стоимость такой обработки составляет до 40% стоимости всех затрат при обработке осадка, поэтому ведется разработка и внедрение более экономичных ме- тодов кондиционирования: тепловой обработки, замораживания и электрокоагуляции. Обезвоживание осадков сточных вод предназначено для полу- чения шлака с объемной концентрацией полидисперсной твердой фазы до 80%. До недавнего времени обезвоживание осуществля- лось в основном сушкой осадков на иловых площадках. Однако низкая эффективность такого процесса, дефицит земельных уча- стков в промышленных районах и загрязнение воздушной среды обусловили разработку и применение более эффективных ме- тодов обезвоживания. Так, осадки промышленных сточных вод обезвоживаются вакуум-фильтрованием на фильтр-прессах, цент- 190
рифугированием и вибрационным фильтрованием. Обезвожива- ние термической сушкой применяется для осадков, содержащих сильно токсичные вещества, которые перед ликвидацией и утили- зацией необходимо обеззараживать. Широкое внедрение процес- сов термической сушки ограничивается высокой стоимостью про- цесса очистки. Ликвидация осадков сточных вод применяется в тех случаях, когда утилизация оказывается невозможной или экономически нерентабельной. Выбор метода ликвидации осадков определяется их составом, а также размещением и планировкой промышленно- го предприятия. Сжигание — один из наиболее распространенных методов ликвидации осадков сточных вод. Предварительно обез- воженные осадки органического происхождения имеют теплотвор- ную способность 16 800—21000 кДж/кг, что позволяет поддержи- вать процесс горения без использования дополнительных источ- ников теплоты. Осадки сжигаются на станциях очистки сточных вод в многоподовых, циклонных печах, а также печах кипящего слоя. На рис. 77 представлена схема установки с использованием теплоты, получаемой от сжигания твердых отходов, для терми- ческой сушки и сжигания осадков сточных вод. Дымовые газы, образующиеся при сжигании твердых отходов в печи 1 с темпе- Рис. 77. Схема установки для термической сушки и сжигания осадков сточных вод |йтурой 900—1000°С, поступают в камеру 3 для сжигания осадка ©Точных вод, в которой навстречу потоку дымовых газов с по- мощью насоса-дозатора 12, компрессора 13 и распылителя 2 по- Дается осадок в распыленном состоянии. В камере 3 капли осад- Кэ подогреваются, подхватываются потоком дымовых газов, сго- Рают и поднимаются в верхнюю зону камеры. Температура ды- 191
мовых газов в верхней зГоне камеры снижается до 750—800°С за счет испарения влаги, содержащейся в осадках сточных вод. В этой же зоне происходит дезодорация паров воды. Дымовые газы, содержащие минеральные частицы осадка, золу и пары воды, постулат в теплообменник. Одновременно из бака 4 в ка- нал теплообменника 5 подается уплотненный осадок с влаж- ностью 93—95%, который подсушивается до 84—89% и поступает в бак 10, оборудованный шнеком 11 для размельчения и подачи осадка к насосу-дозатору 12. Дымовые газы, охлажденные в тег- лообменнике до температуры 300—350°С, поступают в фильтр 6, откуда отсасываются вентилятором 8 через трубу 7 в окружаю- щую среду. Твердые частицы, осаждающиеся на фильтре, посту- пают в сборник 9, откуда они периодически удаляются. Установки такого типа не вызывают загрязнения окружающей среды, просты в эксплуатации. Они позволяют обезвреживать органические отходы (маслопродукты, растворители, краски, лаки и т. д.) с влажностью до 60% и объемным содержанием механи- ческих примесей до 10%. К временным мероприятиям по ликвидации осадков относятся: сброс жидких осадков в накопители и закачка в земляные пусто- ты. Регенерация металлов — один из способов утилизации осад- ков сточных вод машиностроительных предприятий, особенно в гальванических, прокатных, штамповочных и термообрабатываю- щих цехах. Основными методами регенерации металлов являются вакуумная кристаллизация и нейтрализация. При проектировании технологического процесса обработки осадков сточных вод следует иметь в виду не только проблемы их ликвидации и утилизации, но и уменьшение безвозвратных потерь воды в осадках, так как эти потери значительно снижа- ют процент использования воды в оборотном цикле. Например, при очистке сточных вод от механических примесей в напорных гидроциклонах до 7% воды безвозвратно теряется с осадком. При проектировании и эксплуатации систем очистки сточных вод машиностроительных предприятий следует рассматривать не только использование осадков сточных вод, но и других продук- тов, выделяемых в процессе очистки. Например, при очистке сточ- ных вод от масел в отстойниках, гидроциклонах и т. п. скаплива- ется большое количество маслопримесей, из которых после от- стаивания их во вторичных отстойниках утилизируют чистое масло, используемое затем в технологических процессах. В ФРГ разработаны промышленные установки типа «Серво- ионолиз» для очистки сточных вод гальванических цехов с одно- временной регенерацией содержащихся в них тяжелых металлов. Установку типа «Серво-ионолиз» используют для регенерации меди и цинка из травильных растворов; серебра, меди, цинка и кадмия из цианидсодержащих растворов с одновременным обез- вреживанием цианидов. Установки типа «Серво-катиолиз» и 192
пользуют для осаждения никеля, меди, цинка и кадмия из мало- концентрированных гальванических растворов или сточных вод с одновременным выделением из них кислоты. Термические установки типа «Серво» используют для концен- трирования ценных металлов из сточных вод промывных ванн гальванических цехов с последующей конденсацией пара и по- вторным использованием очищенной воды в технологическом цикле. § 29. БЕЗОТХОДНАЯ И МАЛООТХОДНАЯ ТЕХНОЛОГИИ Радикальное решение проблем охраны окружающей среды от негативного воздействия промышленных объектов возможно при широком применении безотходных и малоотходных технологий. Использование очистных устройств и сооружений не позволяет полностью локализовать токсичные выбросы, а применение более совершенных систем очистки всегда сопровождается экспоненци- альным ростом затрат на осуществление процесса очистки даже в тех случаях, когда это технически возможно. Так например, очистка сточных вод крупного машиностроительного предприятия с эффективностью до 90% обеспечивается сравнительно легко, на каждый последующий процент дает рост затрат, взмывающий вверх по экспоненциальной кривой. Стопроцентная очистка теоре- тически возможна, но практически неосуществима из-за громозд- кости очистных сооружений и их колоссальной стоимости. Следо- вательно, нужно искать альтернативное решение, а именно: внед- рять малоотходную и ресурсосберегающую технологию. Термин «безотходная технология», впервые предложенный ака- демиками Н. Н. Семеновым и И. В. Петряновым, получил широ- кое распространение в нашей стране и за рубежом, иногда вме- сто «малоотходной и безотходной технологии» применяется тер- мин «чистая» или «более чистая технология». В настоящее время в соответствии с решением ЕЭК ООН и Декларацией о малоотходной и безотходной технологии и ис- пользовании отходов принята следующая формулировка безотход- ной технологии. «Безотходная технология есть практическое при- менение знаний, методов и средств, с тем чтобы в рамках потреб- ностей человека обеспечить наиболее рациональное использова- ние природных ресурсов и энергии и защитить окружающую «реду». Под безотходной технологией, безотходным производством, %3отходной системой понимают не просто технологию или про- изводство того или иного продукта (или продуктов), а принцип Организации и функционирования производств, региональных про- ^Ышленно-производственных объединений, территориально-про- изводственных комплексов народного хозяйства в целом. При Этом рационально используются все компоненты сырья и энергия 7—521 193
в замкнутом цикле (первичные сырьевые ресурсы — произво; во — потребление — вторичные сырьевые ресурсы), т. е. не на шается сложившееся экологическое равновесие в биосфере. Малоотходная технология является промежуточной ступе] при создании безотходного производства. При малоотходном и изводстве вредное воздействие на окружающую среду не пра шает уровня, допустимого санитарными органами, но по те; ческим, экономическим организационным или другим причи часть сырья и материалов переходит в отходы и направляется длительное хранение или захоронение. Основой безотходных производств является комплексная п< работка сырья с использованием всех его компонентов, поско.71 отходы производства — это по тем или иным причинам неисп, зованная или недоиспользованная часть сырья. Большое знач« при этом приобретает разработка ресурсосберегающих техш гий. Для удовлетворения потребностей народного хозяйства « годно в расчете на душу населения в хозяйственный оборот влекается до 20 т природного сырья. В промышленности ~ затрат приходится на сырье, материалы, топливо и энер В этой связи в условиях постоянно нарастающего дефицита родных ресурсов важную роль играет рациональное, компл ное и экономическое их использование, снижение металлоемк и энергоемкости промышленого производства. При создании отходных и малоотходных производств необходимо постоянна вершенствовать существующие и разрабатывать принципиа; новые технологические процессы и схемы, при реализации к рых существенно снижается количество образующихся отходов они практически ликвидируются. Такое производство включает и переработку отходов пр водства и потребления с получением товарной продукции любое полезное их использование без нарушения экологичес равновесия. Целесообразность использования отходов доказана пра, ческой работой многих предприятий различных отраслей пром! ленности. За годы десятой пятилетки собрано и использо! 236 млн. т товарного лома и отходов черных металлов, экощ ческий эффект от использования которых составил 4,9 млрд. Использование макулатуры, вторичных текстильных материа! изношенных шин, вторичных полимеров, стеклобоя и ряда др] отходов позволяет выпускать товары производственно-техниче) го назначения и народного потребления без использования де цитного первичного сырья. Таким образом, малоотходная и безотходная технология жны обеспечить: — комплексную переработку сырья с использованием всех] компонентов на базе создания новых безотходных процессов; 194
— создание и выпуск новых видов продукции с учетом требо- 1ний повторного ее использования; — переработку отходов производства и потребления с получе- 1ем товарной продукции или любое полезное их использование з нарушения экологического равновесия; — использование замкнутых систем промышленного водоснаб- ;ния; — создание безотходных территориально-производственных |мплексов и экономических регионов. В машиностроении разработка малоотходных техпроцессов язана прежде всего с необходимостью увеличения коэффициен- использования металла (КИМ). Естественно, что увеличение ЛМ дает не только технико-экономические выгоды, но и позво- ет уменьшить отходы и вредные выбросы в окружающую еду. Сравнительно новым технологическим процессом в литейном юизводстве является использование быстротвердеющих формо- •чных смесей. Этот процесс, при котором происходит химическое твердевание форм и стержней, прогрессивен не только в техно- )гическом, но и в санитарно-гигиеническом отношении вследст- ie значительного сокращения пылевыделения. КИМ увеличива- ли при таком литье до 95—98%. Полная регенерация формо- 1чных смесей осуществлена на КамАЗе, что сняло вопрос о 1квидации отходов. Новую технологию изготовления разовых литейных форм пред- шила английская фирма «Бут», вообще отказавшаяся от ис- льзования формовочных смесей с органическими связующими, шажненный водой песок формируется и затем быстро замора- шается жидким азотом. Полученные в таких формах отливки чугуна и цветных сплавов имеют хорошую структуру и глад- го поверхность. Одним из видов технологических потерь в кузнечно-прессовых tax является угар металла, достигающий 5% массы загружае- го в печь материала. Угар повышается с увеличением продол- тельности нагрева, поэтому для сокращения потерь необходи- интенсифицировать процесс нагрева, устанавливая его опти- льный режим в соответствии с конструкцией нагревательного эрудования и формой заготовки. Другим видом технологических потерь металла при его на- ше является окалина, возникающая в результате окисления по- )хностного слоя металла. При пламенном нагреве потери галла от окалины составляют —3% массы заготовки. Особенно тстый слой окалины образуется при неравномерном нагреве. )фективными способами борьбы с угаром и образованием ока- ны являются нагрев заготовки в защитной безокислительной сре- , а также контактный и индукционный нагрев, позволяющий изить потери металла до 0,5%. Для уменьшения образования 195
окалины используется нагрев в нейтральной среде токами высо- кой частоты. В термических цехах целесообразно применять нагрев деталей в ваннах, что предотвращает окисление и обезуглероживание по- верхностного слоя стальных деталей. При этом масляные ванные предпочтительнее свинцовых, загрязняющих атмосферу аэрозолем свинца. Заменив в нагревательной ванне минеральное масло рас- плавом селитры, можно снизить потребление и сброс нефтепро- дуктов. При термической обработке металлов большой практический 1 I IjV Рис. 78 Схемы циркуляционных установок: а — камерная муфельная, б— Шахтная муфельная, в —камерная без- муфельная, г —шахтная безмуфельная интерес представляют новые производственные методы, основан- ные на проведении процессов в замкнутых объемах с экономич- ным расходом исходных составляющих и без выделения продук- тов реакции в окружающую среду. Например, циркуляционный метод диффузионного насыщения металлов и сплавов одним и несколькими элементами с использованием специальных устано- вок (рис. 78), в которых рабочее пространство герметично, а .196
газовый поток создается реверсивным вентилятором. В отличие от прямоточного газового метода, при котором происходит выброс вредных веществ в атмосферу, циркуляционный метод обеспечи- вает безвредность техпроцесса химико термической обработки. Прогрессивный процесс ионного азотирования (рис. 79) по сравнению с печным обладает большей экономичностью, повыша- ет коэффициент использования электроэнергии, нетоксичен и отвечает требованиям защиты окружающей среды. В области обработки материалов резанием большой интерес представляет новый универсальный метод — иглофрезерование, разработанный ВНИИ по строительству магистральных трубо- Вытяжная Вентиляция Рис. 79 Схема электропечи ионного азотирования Л 2 — нагревательные камеры, 3 — подвеска с деталью, 4 — термопара, 5 — обрабатывае- мые детали; 6, 7 — разъединитель, 8 — тиристорный источник питания; 9 — блок измерения И регулирования температуры, 10 — газоприготовительная установка, // — вакуумный насос проводов. При иглофрезеровании не образуется пыли, этот метод позволяет заменить такой неприятный химический процесс, как травление. На шлифовальных и заточных операциях перспективно приме- нение алмазно-абразивных инструментов и кругов из нового син- тетического материала — эльбора, что способствует уменьшению количества абразивного шлама и удлиняет сроки замены смазоч- 197
но-охлаждающих жидкостей (СОЖ), содержащих вредные веще- ства (нитриты и др.). Уменьшению загрязнения воздушного бассейна способствует совершенствование методов окраски машин. При обычном спо- собе окраски распылением пневматическими краскораспылителя- ми потери краски, загрязняющей воздух, составляют 40—60%. Получивший широкое распространение способ окраски в электро- статическом поле позволил свести непроизводительные потери Рис. 80. Прокатка пустотелой буровой стали: а — прошивка, б — редуцирование; а — формовка лакокрасочных материалов к минимуму, одновременно существен- но повысив санитарно-гигиенические показатели процесса. Сущ- ность метода заключается в том, что распыленная краска пода- ется в электростатическое поле высокого напряжения с отрица- тельным потенциалом на электродных сетках и положительным на изделии. Частицы краски, несущие отрицательный заряд, при- тягиваются к изделию. Способ окраски в электростатическом по- ле легко поддается автоматизации. Другим направлением снижения вредного влияния процесса окраски на атмосферу является уменьшение токсичности приме- няемых материалов. Лакокрасочные материалы, содержащие ор- 198
ганические растворители, заменяются водорастворимыми мате- риалами. В кузнечном корпусе Горьковского автомобильного завода процесс травления поковок в растворе серной кислоты полностью заменен очисткой поковок от окалины стальной дробью в дробо- метных барабанах непрерывного действия и в проходных дробо- метных камерах. Это дало возможность прекратить сброс в от- стойники отработанной серной кислоты и железа, а также умень- шить объемный расход технической воды на 10 000 м3/год. В прокатном производстве в последние годы созданы и полу- чили широкое распространение так называемые деталепрокатные станы (зубопрокатные, винтовой прокатки в винтовых камерах, поперечно-винтовой, клиновой и др.), позволяющие отказаться в ряде случаев от дальнейшей металлообработки и сэкономить металла на 10—35% по сравнению с резанием Важно отметить, что внедрение стана винтовой прокатки по способу ВНИИметмаш (рис. 80) для получения пустотелой спиральной буровой стали ПБС позволило не только получить значительную экономию ме- талла (до 1000 т в год), но и улучшить условия труда шахтеров в результате снижения запыленности воздуха в шахтах, уменьше- ния вибрации и повышения скорости бурения на 10—15%. Порошковая металлургия позволяет создавать материалы и изделия с особыми, часто уникальными составами, структурой и свойствами, а иногда вообще недостижимыми при других тех- процессах. При этом обеспечивает значительный экономический эффект A—4 млн. руб. на 1000 т спеченных изделий) за счет по- терь материалов до 5—7% и увеличения КИМ в 2—3 раза. Для сравнения отметим, что при металлообработке литья и проката часто теряется в стружках до 60—70% металла. В подшипниковой промышленности разработана и внедрена технология использования шлифовального шлака для производст- ва колец подшипников методами порошковой металлургии, что позволяет получать ежегодную экономию до 70 000 т качествен- ного порошка легированной стали. Контрольные вопросы 1. Каковы особенности сбора и переработки твердых отходов машино- строительного производства? 2. Какие факторы необходимо учитывать при организации сбора и пере- работки твердых отходов и осадков сточных вод? 3. Назовите перспективные методы переработки промышленных отходов 4. Какова роль и перспективы малоотходных и безотходных технологий в машиностроении?
ГЛАВА 5 ЗАЩИТА ОТ ШУМА, ИНФРАЗВУКА И ВИБРАЦИЙ § 30. НОРМИРОВАНИЕ ШУМА Для успешного решения проблемы защиты окружающей среды от шума необходимо знать допустимые уровни шума. В соответ- ствии с Санитарными нормами № 3077—84 допустимого шума в жилых помещениях, общественных зданиях и на территории жи- лой застройки шум промышленных предприятий, технологических установок, транспортных средств и т. п. не должен превышать уровней, приведенных в табл. 49 с учетом поправок табл. 50. Нормируемыми параметрами постоянного шума являются уровни звукового давления (УЗД) L, дБ, в октавных полосах со среднегеометрическими частотами 63, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000, 8000 Гц, или уровни звука LA, дБА, а непостоянного — экви- валентные уровни звука LA3kb, дБА, и максимальные уровни звука LA max, дБА. Эквивалентный (по энергии) уровень звука LA экв непостоян- ного шума — уровень звука постоянного широкополосного шума, имеющий то же среднеквадратичное звуковое давление, что и данный непостоянный шум в течение определенного интервала времени. Максимальный уровень звука LAm3X— уровень звука, соответствующий максимальному показанию шумомера в течение 1 % времени измерения. Величину La экв измеряют специальными шумомерами или рассчитывают по результатам измерения уровней звука в течение наиболее шумных 1/2 ч. При этом уровни звука непрерывно за- писывают на ленте самописца или считывают с показаний шумо- мера через ~5 с. Измеренные уровни разбивают на классы с диапазоном 5 дБА. Каждый класс характеризуется средним зна- чением Li. Например, к классу L, = 40 дБА относят все измерен- ные уровни от 38 до 42 дБА, к классу 45 дБА — уровни от 43 до 48 дБА и т. д. Эквивалентный уровень звука рассчитывают по формуле "А*. «Ч 100 ^ где Li — уровень звука класса i, дБА; ti — относительное время воздействия шума класса Li, %, от времени измерения. 200
Таблица 49 Назначение помещений или территорий Время суток Уровни звукового давления L, дБ, в октавных полосах частот со среднегеометри- ческими частотами, Гц Ур 3 Палаты больниц и санаториев, операци- онные больниц Кабинеты врачей поликлиник, амбула- торий, диспансеров, больниц, санаториев Классные помеще- ния, учебные кабине- ты, учительские ком- наты, аудитории школ и других учебных за- ведений, конференц- залы, читальные за- лы библиотек Жилые комнаты квартир, жилые поме- щения домов отдыха, пансионатов, домов- интернатов для пре- старелых и инвали- дов, спальные поме- щения в детских до- школьных учрежде- ниях и школах-интер- натах Номера гостиниц и жилые комнаты об- щежитий, территории больниц и санатори- ев Залы кафе, ресто- ранов, столовых Торговые залы ма- газинов, пассажир- ские залы аэропортов и вокзалов, приемные пункты предприятий бытового, обслужива- ния Территории, непо- средственно приле- гающие к жилым до- мам, зданиям поли- клиник, амбулаторий, диспансеров, домов С 7 до 23 ч С 23 до 7 ч С 7 до 23 ч С 23 до 7 ч С 7 до 23 ч С 23 до 7 ч С 7 до 23 ч С 23 до 7 ч 59 63 52 40 45 34 39 35 27 32 30 28 35 25 35 40 40 30 45 35 55 60 55 45 201
Продолжение табл 49 Назначение помещений или территорий отдыха, пансионатов, домов-интернатов для престарелых и инва- лидов, детских до- школьных учрежде- ний, школ и других учебных заведений, библиотек Площадки отдыха на территории микро- районов и групп жи- лых домов, домов от- дыха, пансионатов, домов-интернатов для престарелых и инва- лидов, площадки дет- ских дошкольных уч- реждений, школ и других учебных заве- дений Время суток — Уровни звукового давления L, дБ, в октавных полосах частот со среднегеометри ческими частотами, Гц 67 125 57 250 49 500 44 1000 40 2000 37 4000 35 8000 33 Уровни звука LA и эквива- лентные уровни звука 1Азкв, дБА 45 X х1 5-1 5 3 в !§.< 60 Примечания- 1. Эквивалентные и максимальные уровни звука для шума, создаваемого автомобильным, железнодорожным, авиационным транспортом, в 2 м от ог- раждающих конструкций первого ряда жилых и общественных зданий, обра- щенных в сторону магистральных улиц, принимается на 10 дБА выше приво- димых в табл. 49 2. УЗД в октавных полосах частот, уровни звука и эквивалентные уровни звука шума, создаваемого в помещениях системами кондиционирования возду- ха, воздушного отопления и вентиляции, следует принимать на 5 дБ ниже указанных в табл. 49 или фактических уровней шума, если последние не пре- вышают значения, приведенные в табл. 49 (в этом случае не учитывают по- правку для тонального и импульсного шума, см. табл. 50). Таблица 50 Влияющий фактор Условия Поправка Л, дБ или дБА Характер шума 0 —5 Место объекта расположения Широкополосный шум Тональный или импульсный (при измерениях стандартным шумоме- ром) шум Курортный район, места отдыха Новый проектируемый жилой рай- он Район сложившейся застройки Примечания: 1. Поправки на место расположения объекта следует учиты- вать только для внешних источников шума. 2. Поправку +5 дБ не следует применять для вновь строящихся зданий в сложившейся застройке. 202 -5 0 +5
Возможность обеспечения допустимых уровней шума в значи- тельной степени зависит от выполнения нормативов для различ- ных источников шума. Так, основной для городской застройки шум транспорта, измеренный на расстоянии 7,5 м от осевой линии движения в соответствии с ГОСТ 27436—87 и ОСТ 27.004.022—86, не должен превышать приведенных в табл. 51 уровней звука. Таблица 51 Типы транспортных средств Легковые и грузопассажирские автомобили Автобусы с полной массой ев 3500 кг и двигате- лем мощностью, кВт. менее 150 150 и более Автобусы и грузовые автомобили с полной мас- сой, кг: не более 2000 ев 2000, но не более 3500 Грузовые автомобили, автопоезда с полной массой св. 3500 кг и с двигателем мощностью, кВт: менее 75 75 и более, но не менее 150 150 и более Мотоциклы, мотороллеры и мопеды с рабочим объемом двигателя, см3: до 80 ев 80 до 125 св. 125 до 175 св. 175 до 350 ев 350 (в том числе мотоциклы с коляской и грузовые мотороллеры) Уровень звука, дБА 77 80 83 78 79 81 83 84 78 80 82 83 85 § 31. АКУСТИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ, СРЕДСТВА И МЕТОДЫ ЗАЩИТЫ ОТ ШУМА При разработке средств защиты от шума прежде всего следу- ет выяснить его вид, поскольку необходимое снижение шума мож- но достигнуть только при правильном выборе этих средств. Раз- личают два вида шумов — воздушный и структурный. Воздушный шум распространяется в воздухе от источника возникновения до места наблюдения, структурный шум излучается поверхностями колеблющихся конструкций стен, перекрытий, перегородок зданий в звуковом диапазоне частот 20 — 20 000 Гц. Рис. 81 иллюстриру- ет пути проникновения воздушного и структурного шумов в зда- ние при нахождении его источников как снаружи, так и внутри здания. От наружного источника 1 воздушный шум проникает в помещения через закрытые или открытые окна, форточки, а также стены (в меньшей степени); вибрации передаются по грунту или 203
трубопроводам, идущим к строительным конструкциям, колеба- ния которых вызывает появление структурного шума. От внутрен- него источника 2 воздушный шум попадает в помещения через стены и перекрытия, воздуховоды, а также через проемы, щели и т. п.; вибрации передаются основанию, трубопроводам насосных и воздуховодам вентиляторных установок, вызывая возникновения структурного шума. Необходимость проведения мероприятий по снижению шума, производимого эксплуатируемыми источниками, определяется на основании измерений соответствующих уровней L, ЬАжв, ^Атах в сравнении с допустимыми по нормам. Для проектируемых объек- тов необходимость таких мероприятий может быть определена только на основании акустического расчета, включающего: 1) выявление источников шума и определение их шумовых ха- рактеристик; 2) выбор расчетных точек (РТ) акустического расчета и опре- деление для них допустимых УЗД; Рис. 81 Пути проникновения шума: / — воздушный шум, //— структурный шум, /, 2 — источник шума и виб- раций 3), определение ожидаемых УЗД в расчетных точках до осу- ществления мероприятий по снижению шума; 4) определение требуемого снижения УЗД в расчетных точ- ках; 5) выбор мероприятий для обеспечения требуемого снижения УЗД; 6) расчет и проектирование шумоглушащих, звукопоглощаю- щих и звукоизолирующих конструкций (глушители, экраны, зву- копоглощающие облицовки и т. п.). 204
Источники шума и их шумовые характеристики В зависимости от физической природы шумы могут быть: — механического происхождения, возникающие при вибрации поверхностей машин и оборудования, а также при одиночных или периодических ударах в сочленениях деталей или конструкциях в целом; — аэродинамического происхождения, возникающие вследст- вие происходящих в газах процессов (вихревые процессы, колеба- ния рабочей среды, вызываемые вращением лопаточных- колес, пульсации давления при движении в воздухе тел с большими скоростями; истечение сжатого воздуха, пара или газа и др.); — электромагнитного происхождения, возникающие вследст- вие колебаний элементов (ротора, статора, сердечника, трансфор- матора и др.) электромеханических устройств под действием пе- ременных магнитных полей; — гидродинамического происхождения, возникающие вследст- вие происходящих в жидкостях процессов (гидравлические удары, кавитация, турбулентность потока и др.). В условиях эксплуатации, как правило, несложно определить, какой именно источник вызывает повышенный шум. Если, например, в жилой дом проникает шум от одновременно работа- ющих компрессорной и вентиляторной установок рядом располо- женного предприятия, то последовательным выключением этих установок и изменением шума каждой из них можно выявить ос- новной источник шума. Для выполнения акустического расчета прежде всего необхо- димо знать основные шумовые характеристики машин: уровни звуковой мощности (УЗМ) LP на стандартных среднегеометриче- ских частотах октавных полос (LP~ 101g PJPo, где Р — звуковая мощность источника, Вт; Ро — исходное значение мощности, рав- ное 10~12 Вт) и показатель направленности излучения шума G, дБ (G=W\g<&). Шумовые характеристики, определяемые в соот- ветствии с ГОСТ 12.1.024—81, ГОСТ 12.1.025—81 и др., приво- дятся заводом-изготовителем в технической документации на ста- ционарные машины и оборудование. Для таких распространенных источников шума, как вентиля- торные, компрессорные, газотурбинные и другие аэрогазодинами- чеокие установки, шумовые характеристики могут быть рассчита- ны или определены по справочной литературе [8]. Вентиляторные установки. Шум вентиляторов промышленных предприятий обычно распространяется следующими путями (рис. 82): а — через воздухозаборное устройство 4 воздуховода всасы- вания 2 (путь I); б — через выбросное устройство 5 воздуховода нагнетания 3 (путь II); в—через корпус радиального вентиля- тора / (путь III) и выбросное или воздухозаборное устройства (пути II и I). Возможно также излучение шума открытым вход- 205
ным или выходным патрубками радиального вентилятора и осе- вым вентилятором непосредственно в атмосферу. Шум вентиля- торных установок часто превышает допустимые уровни в широком ш ш ш ш ш ш ш ш ш ш ш ш ш ш ш ш ш ш ш ш 20 - 63 125 250 500 WOO WOO WO дООО f,Fu Рис. 82. Основные пути (а, б, в) распространения шума вентиля- торных установок: / — спектр шума вентиляторной уста- новки зазора, измеренного в жилом до- ме; 2 — спекто допустимого шума 206
диапазоне частот (рис. 82, г). В каждом из этих случаев октав- ные УЗМ могут быть рассчитаны по соответствующим формулам. Например, октавные УЗМ шума, излучаемого вентилятором в воздуховод всасывания или нагнетания, определяют по формуле: ip = Г+ 20 lg Рв + 10 lg С? + 5 — ДЛг +Л£2_20, A9) где L — критерий шумности, дБ, зависящий от типа и конструк- ции вентилятора, значение которого для сторон всасывания и на- гнетания следует принимать по данным [7, 8]; Рв — полное дав- ление, создаваемое вентилятором, Па; Q — объемный расход воз- духа вентилятора в м3/с; б — поправка на режим работы венти- лятора, принимаемая в зависимости от его к. п. д., равной от 0 до 4 дБ; ALi — поправка, учитывающая распределение звуковой мощности вентилятора по октавным полосам частот; AL2 —по- правка, учитывающая акустическое влияние присоединения возду- ховода к вентилятору. Поправки ALl и AL2 могут быть определе- ны по данным [7]. Для осевых вентиляторов УЗМ шума на всасывании и нагне- тании ввиду симметрии потока могут быть приняты одинаковыми. Уровень шума электродвигателя, клиноременного привода и под- шипников при их исправном состоянии значительно ниже шума вентилятора и его можно не учитывать. Значения УЗМ справедливы при условии плавного подвода воз- духа к входному патрубку, что обеспечивается наличием плавного коллектора или прямого участка воздуховода длиной не ме- нее трех его гидравлических диаметров DT (DT=4Fin, где F и П — соответственно площадь воздуховода, м2, и его пери- метр, м). При работе радиального вентилятора с открытыми входным или выходным патрубками к излучаемому через них шуму до- бавляется шум, излучаемый через корпус. Суммарный УЗМ на- ходят по известному правилу сложения уровней. Для вентиляторов специального назначения, в частности об- щеобменной вентиляции шахт, рудников, транспортных тоннелей, УЗМ могут быть определены по измерениям, проведенным на моделях этих вентиляторов (для проектируемых машин) или по данным литературы [37] (для эксплуатируемых машин). Компрессорные станции. При работе стационарных компрес- сорных станций проникновение шума в окружающую среду про- исходит через отверстия всасывающих и выхлопных воздуховодов, а в передвижных станциях, кроме того, имеет место еще шум Двигателя и корпусной шум. Нужно заметить, что компрессор- ные станции наряду с вентиляторными установками являются самыми распространенными источниками шума. УЗМ шума, излу- чаемого в окружающую среду стационарными компрессорами и турбокомпрессорами, определяют по справочной литературе [8], Шум часто расположенных в жилых застройках передвижных 207
компрессорных станций (ПКС), в которых имеется большое коли- чество источников, принято характеризовать не уровнем звуковой мощности, а уровнем звука на определенном A—7 м) расстоянии от станции. Газовые струи. Интенсивный шум в окружающей среде может создаваться при стендовых испытаниях турбореактивных двига- телей (ТРД), при сбросе сжатого воздуха. Источником шума в этих случаях является высокоскоростная выхлопная струя, общий уровень звуковой мощности LPo6 которой можно определить по формуле £Яобщ = 80 Ig vc + 20 lg pc + 10 (g Fc - К, B0) где vc-—скорость истечения газа (воздуха) из сопла, м/с; р0 — плотность струи в выходном сечении сопла; К — величина, зави- сящая от температуры струи (для ТРД К=44 дБ, для холодных струй К=57 дБ). Октавные УЗМ шума струи определяют из равенства lp=lpr +^L . B1) г 'общ ^ Здесь ALP-—разность между общим УЗМ и рассматриваемой ок- тавной полосой со среднегеометрической частотой /, значение ко- торой находят по графику / рис. 83 в зависимости от безразмер- ного параметра — числа Струхаля Sh—fddvc, где dz — диаметр сопла, м. При испытаниях ТРД излучение шума происходит нескольки- ми путями: из выхлопной шахты испытательного бокса (рис. 84), о -10 -20 -30 \ 3 0,5 0,1 0,2 0,5 1 2 5 10 15 50 Sh=fdc/vc S5c Wno3c\ ~\ Рис. 83. Относительный спектр звуковой Рис. 84. Схема испытательного мощности шума: бокса 1 — струи; 2 — излучаемого в бохс из шахт подноса 2 и всасывания 3, а также через проводящую трубу 4. Октавные УЗМ шума, излучаемого в выхлопную шахту, определяют по формуле B*1). В шахты подсоса и всасывания по- ступает часть звуковой энергии, излучаемой в помещение бокса 208
выхлопной струей Общий УЗМ излучаемого в бокс шума в сред- нем на 8 дБ меньше общего уровня всей струи, определяемого по формуле B0). Октавные УЗМ шума определяют по формуле B1), используя график 2 (см. рис. 83). Зная УЗМ шума, излучаемого в бокс, можно определить соответствующие уровни для шахт вса- сывания и подсоса [8]. Необходимо отметить, что при расчете шума1 ТРД (особенно двухконтурных с большой степенью двухконтурности), проникаю- щего в шахту всасывания, наряду с выхлопной струей нужно учи- тывать и шум компрессора, используя правило сложения уровней. Газотурбинные установки (ГТУ). При работе стационарных ГТУ повышенный шум в окружающей среде создается системами всасывания и сброса воздуха через противопомпажные клапаны. Основной источник — это тональный шум осевого компрессора с максимумом излучения в высокочастотной части спектра. Частоты дискретных составляющих (гармоник) равны: fi = lzn/60, B2) где i — номер гармоники (i=l, 2, 3...); z— число лопаток рабо- чего колеса первой ступени компрессора; я — частота вращения ротора, об/мин Общую звуковую мощность РОбщ, Вт, шума всасывания дозву- кового осевого многоступенчатого компрессора определяют, поль- зуясь выражением '—'• 't^rJ-gk- где т]ад — адиабатический к,, п. д. первой ступени компрессора; mt — массовый расход воздуха через компрессор, кг/с; Яад—■ адиабатический напор, Дж/кг; D — диаметр первой ступени ком- прессора, м; р — плотность воздуха на входе в компрессор, кг/м3; с — скорость звука в воздухе, определяемая в зависимости от тем- пературы ГС как с=20,1 УТ\м/с. Общий УЗМ компрессора вычисляют по формуле где Р0=10-12 Вт. Для определения УЗМ по формуле B2) находят частоты трех первых гармоник /ь f2, /з, а по табл. 52 находят среднегеометри- ческие частоты Уз-октавных полос, в которых располагаются эти гармоники. Затем, используя график (рис. 85, а), определяют уровни звуковой мощности Lp ' для этих полос: lpi = Чбщ ~Л V где ALpt •—разность УЗМ. 209
Таблица 52 Граничные октавных 45—90 90—180 180—355 355—710 710—1400 1400—2800 2800—5600 5600—11200 частоты полос, Гц 7з-октавных 45—56 56—71 71—90 90—112 112—140 140—180 180—224 224—280 280—355 350—450 450—560 560—710 710—900 900—1120 1120—1400 1400—1800 1800—2240 2240—2800 2800—3540 3540—4500 4500—5600 5600—7100 7100—9000 9000—11200 Среднегеометрические частоты, полос, Гц октавных 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000 '/з-октавных 50 63 80 100 125 160 200 250 315 400 500 630 800 1000 1250 1600 2000 2500 3150 4000 5000 6300 8000 10 000 Например, для заданного компрессора с/,Роб|Д=140 ДБ частоты гармо- ник равны fi=2000 Гц; /2=4000 Гц; /3=6000 Гц; значения А1Р/ для этих частот соответственно равны 3, 7 и 11 дБ. Для 1/3-октавных частот, лежащих ниже /( = 2000 Гц. а именно 1600, 1250, 1000 Гц и т д, b.LPi соответствен- но равна 17, 18,5 дБ Для частот выше f3=6000 Гц, а именно 8000 и 10 000 Гц, ALp равна 17 и 18,5 дБ Для частот 2500, 3150 и 5000 Гц, лежа- щих между частотами fu /г, fa, ALP =15 дБ. Построенный на основании этого расчета спектр звуковой мощности компрессора в 1/3-октзвных полосах частот приведен на рис 85, б, спектр 1. Поскольку для дальнейших расчетов используют октавные УЗМ, необходи- мо 7з-октавные уровни пересчитать в октавные по правилу сложения уровней. Так, '/з-октавные уровни на частотах 3150, 4000 и 5000 Гц соответственно рав- ны 125, 133 и 125 дБ, а октавный УЗМ в полосе со среднегеометрической час- тотой 4000 Гц будет равен 134 дБ. Применительно к нашему примеру октав- ный спектр УЗМ показан на рис. 85, б (спектр 2). Для частот ниже 500 Гц расчет не производился ввиду значительно меньших (на 30—40 дБ) уровней на этих частотах по сравнению с определяющими общий шум тональными составляющими. 210
Для ряда эксплуатируемых ГТУ уровни звуковой мощности шума всасывания и шума, излучаемого противопомпажными кла- панами, могут быть взяты из справочника [8]. Выбор расчетных точек и определение допустимых уровней шума При акустических расчетах для источников шума, излучаю- tt 4 t3 a 500 850 125020003150 5000 8300 5 Рис. 85. Спектры звуковой мощности шума всасывания компрессора: — относительный, б — в '/з-октавных и октавных полосах частот щих его в окружающую среду, РТ выбирают на расстоянии 2 м от плоскости окон ближайших жилых или общественных зданий. На территории жилых микрорайонов, больниц и санаториев, школ, детских садов РТ выбирают на расстоянии 2 м от границ территории на высоте 1,2 м от поверхности земли. При выполнении акустических расчетов допустимые уровни звукового давления Ьдоп в расчетных точках определяют по фор- муле п £доп = ^н 4- 2j Д'' где Lh —нормативный УЗД, определяемый по табл. 49; сумма поправок (см. табл. 50). Определение ожидаемых уровней звукового давления До осуществления мероприятий по снижению шума для вы- бранных РТ при известных источниках шума (ИШ) и их шумо- вых характеристиках определение ожидаемых уровней звукового Давления (УДД) производится в зависимости от их взаимного расположения. Источники шума могут находиться в открытом про- странстве на территории предприятия или городской застройки, в Помещениях, каналах аэрогазодинамических установок, а расчет- 211
ные точки — на территориях или помещениях жилых и обществен- ных зданий. Для определения ожидаемых УЗД применяют энер- гетический метод расчета, при котором рассматривается распро- странение звуковой энергии от источника до РТ с определением в ней интенсивности звука и соответствующих уровней. Отметим, что уровень интенсивности звука L/ (Li— 10lg (Ijlc), где / и /о — соответственно интенсивность в данной точке и исходное значение интенсивности, равное /0=1СН2 Вт/м2) связан с уровнем звуко- вого давления L зависимостью L, = L + 10 lg-^5- = L + Л£а, 1 ь рс где роСо — удельное акустическое сопротивление воздуха, равное 410 Н-с/м3 при нормальных атмосферных условиях (Г=293 К и рст=Ю34 гПа); рс — то же, при данных условиях (р-—плотность воздуха, кг/м3; с — скорость звука в нем, м/с); ALa — поправка на атмосферные условия. Если данные атмосферные условия соответствуют нормаль- ным, то А, = £. B4) В случаях расчетов, проводимых далее, поправкой ALa можно пренебречь ввиду ее малости и считать, что выполняется равенст- во B4). Сначала рассмотрим об.щий случай (рис. 86), когда в окру- жающую среду, где расположена расчетная точка, происходит излучение шума звуковой мощностью Р, Вт. Интенсивность звука / в РТ будет равна: РФ Здесь Ф — фактор направленности излучения шума (его значе- ния для конкретных случаев будут приведены далее);- k — коэф- фициент, в общем виде учитывающий уменьшение интенсивности звука на пути его распространения за счет затухания в воздухе и наличия каких- либо преград; S — площадь, на которую распределяется звуковая энергия, м2. В общем случае 5 = lQr2, где п — простран- у/////////////7^ЖЖЖЖ7/, ственный Угол излучения звука, равный 4л для источников и мест излучения шу- Рис. 86 Расчет шума в от- ма„ расположенных в пространстве, 2я — крытом пространстве на поверхности территории или огражда- ющих конструкций зданий и сооружений и я — в двухгранном углу, образованном конструкциями зданий и поверхностью территории. Разделив левую и правую части уравнения B5) на исходное 212
значение интенсивности звука /0 и прологарифмировав их, полу- чим выражение для уровня интенсивности звука, равного с учетом B4) ожидаемому уровню звукового давления в РТ: Л = Л^зл + Ю 1гФ — 10 IgQ — 20 Igr — Д/.^,", B6) где LPa3n — УЗМ шума, излучаемого в окружающую среду; ALp°n — снижение УЗМ на пути распространения шума в откры- том пространстве. При отсутствии препятствий и небольших (до 50 м) расстояниях ALP равно нулю. При больших расстояниях становится заметным затухание звука в воздухе, особенно на вы- соких частотах. Это происходит благодаря поглощению энергии в процессе релаксации молекул воздуха, а также ее потерь вслед- ствие теплопроводности и вязкости воздуха. В этих случаях ALpon= (раг)/1000, где (За — затухание звука в атмосфере, прини- маемое по следующим данным: Среднегеометрические частоты октавных полос, Гц 63 126 250 500 1000 2000 4000 8000 Ра, дБ/км 0 0,7 1,5 3 6 12 24 48 Наличие ветра и растительности, характер рельефа земной поверхности и другие факторы влияют на значение ALpon, увели- чивая его или уменьшая. Нужно отметить, что выражение B6) получено для условий свободного распространения звука, т. е. без влияния отражений близко расположенных зданий и сооружений. В реальных условиях, особенно в городской застройке, спад уров- ня звукового давления происходит медленнее, чем по закону квад- рата расстояния, поэтому в случае расположения РТ среди зда- ний нужно брать не 201gr, a 151gr. Рассмотрим конкретные случаи расчета, наиболее часто встре- чающиеся на практике. Уровни звукового давления в РТ во всех случаях определяют по общей формуле B6) с подстановкой соот- ветствующих значений ЬРтл и Ф. I. Источник шума (один или несколько) установлен на поверх- ности земли на определенном расстоянии г от РТ (рис. 87, а). Шум от него излучается непосредственно в окружающую среду. В данном случае LPmjl=LP. Величина Ф берется из паспортных характеристик машины, механизма. Для источников шума с рав- номерным излучением звука Ф=1. Для осевых и центробежных вентиляторов, открытые всасывающие или: выхлопные отверстия которых направлены в сторону РТ, Ф = 2. II. Шум источника аэродинамического происхождения (венти- лятор, компрессор и т. д.) распространяется по каналам (трубо- проводам) и излучается в атмосферу через выходные (выхлопные или воздухозаборные) отверстия (рис. 87, б). В этом весьма рас- пространенном случае Lp3" = Lp — hLPK (Lp— УЗМ источ- ника шума, излучаемого в сторону выходного отверстия; Д^рк— 213
снижение УЗМ при распространении звука по каналам от источ- ника до выходного отверстия). ALPk определяется последова- тельно для каждого элемента (прямой участок, канал, поворот, тройник и т, п.) и затем суммируется, т. е. ^^рк где — снижение УЗМ в отдельном г-м элементе; п- число этих элементов. ш ш ш Ш Ш ш ш ш ш ш ш ш ш ш ш ш ш ш ш Рис. 87. Расчетные схемы излучения шума в окружающую среду: а — источник шума расположен в открытом пространстве, б — излучение шу- ма из всасывающих или воздухоза борных отверстий аэродинамических уста- новок, в — излучение шума через стенки канала аэрогазодинамической уста- новки, г — излучение шума через строительные ограждения Естественное снижение шума в воздуховодах может быть зна- чительным и его необходимо точно определять для каждого эле- мента. При распространении шума по прямым участкам воздухо- водов и каналов происходит затухание звука в результате его поглощения и рассеивания на стенках. Снижение УЗМ на 1 м дли- ны для металлических воздуховодов может быть определено по данным СНиП II-12—77 [7], а для широких (более 2 м) каналов см. [36J. На поворотах воздуховодов значительная часть энергии отра- жается обратно к источнику шума. Снижение УЗМ в прямоуголь- ных поворотах воздуховодов и каналов может быть определено по графику рис. 88 в зависимости от произведения fd (f — часто- та звука, Гц; d — ширина поворота, м). В плавных поворотах и в прямоугольных поворотах с направляющими лопатками отраже- 214
ние звука значительно меньше, поэтому снижение уровней состав- ляет 1—3 дБ. В результате отражения звука от открытого конца воздухово- да (с решеткой или без нее) происходит снижение УЗМ, значение которого определяют по графику рис. 89 в зависимости от пара- метра fY~F, Гц-м (F — площадь поперечного сечения воздухо- вода, м2). ы 22 20 18 16 Н 12 10 п о 6 1 _\ - \\ - Щ \ 50 100200400800 3200 \№В0ВЫЮ 1600 Ш fit Гц М Рис. 88. График для определе- ния снижения шума в прямо- угольных поворотах 5 10 20 У) 80 160 320 Рис. 89. График для определе- ния снижения шума при отра- жении от открытого конца (а и б) воздуховода Снижение УЗМ вследствие отражения звука при резком изме- нении поперечного сечения воздуховода (рис. 90, а, б, в) опреде- ляется в зависимости от частоты и соотношения площадей .Fi и F2 [7, 36]. Рис. 90. Элементы каналов: а, 6 — сужение и расширение канала, в — перегородка с отверстием в кана- ле, г — разветвление канала При плавном переходе воздуховода от одного сечения к друго- му снижение октавных УЗМ не учитывается. Снижение УЗМ в разветвлениях воздуховодов (рис. 90, г) следует определять по формуле ., |П1 Г S^Q" (яр+l)g ALn =10I?( 215 ■]■
где m0 — отношение площадей сечений воздуховодов, то = = F/XFOTB; Fotb — площадь поперечного сечения воздуховода рас- сматриваемого ответвления, м2; F — площадь поперечного сечения воздуховода перед разветвлением, м2; I,FOTu— суммарная площадь поперечных сечений воздуховодов всех ответвлений. Фактор направленности Ф в выражении B6) зависит от ориен- тации места излучения по отношению к РТ. Значения показателя направленности G=lO\g0 для наиболее распространенных слу- чаев излучения приведены на рис. 91. III. Шум в РТ попадает через стенки (чаще металлические) канала (см. рис. 87, в). Такой путь проникновения шума в окру- жающую среду часто наблюдается при работе станций испытаний двигателей и в вентиляторных установках. Особенно заметным становится такой шум при установке глушителя перед выхлопным отверстием. В этом случае /ИЗЛ г Lp — Ьр — 10 lg •як-з, B8) где Lp — уровень звуковой мощности, излучаемой источником шу- ма в канал; АЬР — снижение УЗМ в канале от источника до уча- стка, через который излучается шум; FH— площадь наружной по- 6=0 G =-2db Рис. 91. Значения G для различных случаев излучения шума из воздухозаборных или выбросных устройств аэрогазодинамических установок верхности стенок канала, м2; F — площадь поперечного сечения канала, м2; R — звукоизоляция стенок канала, дБ. Здесь Ф=1. IV. При близком расположении шу-много цеха предприятия к жилой застройке шум может попадать в РТ чаще через оконные проемы площадью Sor и звукоизоляцией Ror (см. рис. 87, г). В этом случае Ф=1: B9) где Lpj —уровень звуковой мощности /-го источника в помеще- 216
нии; п — число источников; В — постоянная шумного помещения, определяемая применительно к данному случаю по формуле В = = VV/20 (V — объем помещения, м3; ц — частотный множитель, значения которого см. [7]). Часто шум может попадать в РТ от нескольких источников разными путями. Например, на территорию жилой застройки шум может попадать одновременно от производственного оборудова- ния, вентиляторов, компрессоров и т. д., близко расположенного предприятия. В таких случаях УЗД в расчетной точке сначала определяют отдельно для каждого источника по формуле B6), а при одновременном действии всех источников — по правилу сло- жения уровней: л L= lOlg^ I0°'u/, C0) где Li — ожидаемые УЗД, создаваемые одним источником при изолированной работе; п — число источников шума. Здесь умест- но напомнить, что при разнице между двумя уровнями выше 10 дБ более низкие уровни в расчет можно не принимать. Определение требуемого снижения шума Необходимо различать понятия: требуемое снижение шума в РТ и требуемое снижение шума источника. Во всех случаях рас- чета или измерений требуемое снижение шума в РТ определяют как разность между ожидаемыми УЗД, рассчитанными по форму- ле B6) или измеренными L и допустимыми Ьлоп уровнями по нор" &.L?9 = L-LAoa. C1) Значение требуемого снижения шума непосредственно в источ- нике или на пути его распространения зависит от числа источни- ков шума и требуемого снижения шума в РТ. При действии одно- го источника его шум должен быть снижен на величину ALTP, определяемую по формуле C1), а шум одного из нескольких одинаковых источников, удаленных от РТ на примерно равные расстояния, по формуле ДЛтр = Lt - LAm + lOlgn, где Li = L [см. формулу C1)]. На практике часто встречаются случаи попадания шума в РТ от разных источников, расположенных от нее на различных рас- стояниях. Применительно к действующим предприятиям и экс- плуатируемому оборудованию требуемое снижение шума каждого источника может быть определено измерением УЗД, создаваемого при одиночной работе (остальные источники отключаются), срав- 217
нивая его с допустимыми уровнями. При таких измерениях выяв- ляют наиболее шумные источники, шум которых нужно снижать в первую очередь. Выбор мероприятий по снижению шума Уровни звукового давления в РТ зависят, как следует из фор- мулы B6), от УЗМ изучаемого шума ЬРтл, показателя направ- ленности излучения шума G, расстояния от источника шума до РТ, постоянной шумного помещения В, звукоизоляции огражде- ний R и снижения уровня звуковой мощности A.LPon на пути рас- пространения шума в открытом пространстве. Исходя из этого для снижения шума могут быть применены соответствующие ме- роприятия. А. Уменьшение УЗМ источника шума Lp, что в условиях экс- плуатации достигается заменой шумного, устаревшего оборудо- вания, а при проектировании — выбором оборудования с лучши- ми шумовыми характеристиками, правильным расчетом режима G,=-WdB •РТ ■У /// //7 ■РТ v/ /// /// /// Рис. 92. Правильная (а) и неправильная (б) ориентация возду- хозаборной шахты его работы и т. д. Например, при подборе вентилятора необходи- мо стремиться к тому, чтобы его к. п. д. был максимальным; сброс сжатого воздуха, газа или пара должен быть растянут во време- ни (если позволяют условия эксплуатации оборудования) и т. п. Б. Правильная ориентация источника шума или места излуче- ния шума по отношению к РТ для снижения показателя направ- ленности G. С этой целью устройства для забора и выброса воз- духа и газовоздушной смеси аэродинамических установок следует устанавливать так, чтобы излучение шума шло в противополож- ную сторону от жилых и общественных зданий. Снижение шума за счет правильной ориентации может быть определено как AL= — Gi—G2, где G\ и G2— показатели направленности излучения шума (рис. 92) соответственно воздухозаборным или выхлопным устройствами при их неправильной и правильной ориентации в сторону РТ. Например, для установки воздухозабориой шахты, снижение УЗД составит AL=5+ 10=15 дБ. В. Размещение источника шума на возможно удаленном от 218
РТ расстоянии или, наоборот, жилой застройки от предприятия, т. е. за счет проведения комплекса архитектурно-планировочных мероприятий. Например, на расстоянии гх от г2 от источника шума в открытом пространстве находятся расчетные точки РТ1 и РТ2 (рис. 93, а). Разность УЗД между точками определяют как Д£= Ю rg ——— =- 10 lg где Р — звуковая мощность источника шума; Ix и /2 — интенсивно- сти звука в РТ. При удвоении расстояния (r2 = 2ri) AZ. = 6 дБ. Как отмечалось выше, при распространении шума в жилой застройке спад УЗД несколько замедляется (рис. 93, б) из-за отражения звука от стен У/ /// /// ////// /// /// /У/ /// /// /" /// уу/ ууУ //у I I 1 Рис 93. П 16м Свободное распространение К определению шума в открытом пространстве (а) и в жилой застройке (б) зданий, в таких случаях AL==151g(r2/ri). Нужно подчеркнуть, что данное мероприятие по снижению шума может быть реализо- вано лишь при проектировании объектов. Г. Использование средств звукопоглощения при выполнении акустической обработки шумных помещений, через окна которых 219
шум излучается в атмосферу (для увеличения постоянной В этих помещений). Д. Уменьшение шума на пути его распространения от источни- ка до РТ Это мероприятие связано с увеличением ALP и вклю- чает в себя: а) использование средств звукоизоляции путем применения та- ких материалов и конструкций для наружных стен, окон, ворот, дверей, трубопроводов и коммуникаций, проходящих через ограж- дающие конструкции зданий, 'которые могут обеспечить требуе- мую звукоизоляцию; устройство специальных боксов и звукоизо- лирующих кожухов при размещении шумного оборудования; при- менение экранов, препятствующих распространению звука от обо- рудования, размещенного на территории промышленного пред- приятия; б) использование средств виброизоляции и вибродемпфирова- ния; в) установка глушителей шума в воздуховодах, каналах и га- зодинамических трактах, испытательных боксов, компрессоров, вентиляторов и т. д. Е. Проведение организационно-технических мероприятий, свя- занных с проведением своевременного ремонта, смазки машин и оборудования и т. п.; ограничением и полным запрещением про- ведения шумных работ и эксплуатацию наиболее интенсивных ис- точников шума в ночное время. § 32. ЗВУКОПОГЛОЩЕНИЕ И ЗВУКОИЗОЛЯЦИЯ Понятия звукопоглощение и звукоизоляция часто отождествля- ют, хотя между ними есть принципиальное различие, которое не- обходимо учитывать при решении практических вопросов борьбы с шумом. Звукоизолирующие конструкции предназначены для уменьше- ния проникновения шума в изолируемое помещение или на тер- риторию жилой застройки от источника, расположенного в сосед- нем помещении или открытом пространстве (рис. 94, а). Акусти- ческий эффект таких конструкций в основном обусловлен отраже- нием звука от их поверхностей, изготовленных из плотных твер- дых материалов (бетон, кирпич, сталь и т. п.). Звукопоглощающие материалы и конструкции служат для по- глощения звука как в помещении самого источника шума (рис. 94, б), так и в изолируемых от шума помещениях (рис. 94, в). В последнем случае методы звукопоглощения и звукоизоляции используются совместно. Свойством поглощения звука в большей или меньшей степени обладают все материалы, однако к звуко- поглощающим принято относить только те материалы, у которых значение коэффициента поглощения. сс>0,3 (а = /Погл//пад, где / и /пад — соответственно интенсивности поглощенного и па- 220
дающего звука, Вт/м2). Звукопоглощающие материалы в отличие от звукоизолирующих — это пористые и рыхлые волокнистые ма- териалы типа ультратонкого стеклянного и базальтового волокна, минеральной ваты и плит на ее основе, капронового волокна, спе- циальных акустических плит и др. Процесс поглощения звука про- исходит в результате превращения звуковой энергии в тепловую. Падающие на звукопоглощающую конструкцию звуковые волны вызывают колебания воздуха в узких порах материала. Вследст- вие вязкости воздуха эти колебания сопровождаются трением и иш 1 I —*• • РТ /////77////////////////////////////////////, Рис. 94. Средства звукоизоляции и звукопо1 лощения: 1 — звукоизолирующее ограждение, 2 — звукоизолирующий кожух, 3 — звукопогло- щающая облицовка переходом кинетической энергии в тепловую. Поскольку звуковая энергия в условиях окружающей среды невелика, то температура звукопоглощающего материала даже при полном поглощении зву- ка увеличивается на весьма малую величину. Для уменьшения шума в изолируемых помещениях метод зву- коизоляции более эффективен, чем метод звукопоглощения. С по- мощью звукоизолирующих конструкций можно обеспечить сниже- ние шума на 20—50 дБ в зависимости от типа конструкции и ча- стоты звука. При установке в этих помещениях звукопоглощаю- щих облицовок стен и потолков снижение шума составляет всего лишь 5—8 дБ. Эффективная защита от шума часто требует сов- местного использования обоих методов. 221
Средства звукопоглощения Эти средства используют при проведении акустической обра- ботки помещений, устанавливая в них звукопоглощающие обли- цовки и штучные звукопоглотители для уменьшения интенсивно- сти отраженных звуковых волн. Данный метод чаще используют при необходимости снижения шума в самих производственных помещениях, а также при близком расположении предприятия от жилой застройки (шум проходит через окна цехов). Поэтому сни- жение шума за счет акустической обработки помещений цехов позволяет одновременно решить две за- дачи— улучшить условия труда на пред- приятии и защитить население жилой за- стройки от действия шума. Этот способ снижения шума используют не только на действующих, но и на проектируемых предприятиях. При этом снижение шума в жилой застройке не превышает 7—12 дБ в области средних и высоких частот, где . , ^ применение акустической обработки наи- более эффективно. Снижение УЗД в жилой застройке, Рис. 95. График для опре- полученного за счет акустической обра- деления коэффициента г£ ботки, определяют по формуле AZ.= 10 1g ' , C2) где Вг и В — постоянные помещения соответственно после и до обработки, м2; if и ifi — коэффициенты, учитывающие звукопогло- щение в помещении, определяемые по графику рис. 95 в зависимо- сти от отношения B/S0Tp или 5i/Sorp (Sorp — площадь внутренних поверхностей помещения, м2). Постоянную помещения В определяют по нормативным мате- риалам [7], а постоянную В\—■ по формуле а1). C3) Здесь А — величина звукопоглощения внутренних ограждающих поверхностей помещения, на которых облицовка не установлена, м2, ,4i = a(SOrp—5Обл), где a — средний коэффициент звукопогло- щения внутренних поверхностей помещения площадью 50Гр до установки облицовки с площадью 5Обл B/S0TP a = АЛ — добавочное звукопоглощение, вносимое облицовкой, м2: ДЛ = аобл5обл, C5) 222
где ссобл — реверберационный коэффициент звукопоглощения вы- бранной конструкции облицовки, значения которого для наиболее распространенных облицовок см. [7, 29]; сн — средний коэффи- циент звукопоглощения внутренних поверхностей помещения, в котором установлена облицовка, ai= (Ai + AA)/SOrp- Выбор конструкции звукопоглощающей облицовки должен производиться не только для получения максимального звукопо- глощения в каких-либо полосах частот, но также для обеспечения работоспособности облицовки в конкретных условиях производст- венного помещения (наличие вибраций, пыли, агрессивных сред и т. п ). Конструктивно облицовки выполняют (рис. 96) из слоя мягко- го звукопоглощающего материала 1 (схема 96, а), защитных слоев стеклоткани 2 типа ЭЗ-100 и перфорированного листа 3 с коэффициентом перфорации йперФ^0,2 или из акустических плит 4 (схема 96,6). Для увеличения звукопоглощения на низких ча- 2' 3 1,0 0,5 63 125 250 500 WOO 2000 Ш0 8000 г ffu Рис. 96. Конструкции звукопоглощающих облицовок: 1 — плита «Акмигран»; 2— то же, с воздушным промежутком 200 мм; 3— маты из супертонкого базальтового волокна толщиной 50 мм стотах звукопоглощающий материал устанавливается с относом (воздушным промежутком) от строительной конструкции (схема 96, е). На рис. 96, г приведены частотные зависимости аОбЛ для некоторых конструкций. 223
Звукопоглощающие облицовки устанавливают на потолке и стенах. При этом снижение шума зависит от площади облицован- ных поверхностей 5Обл, которая должна составлять не менее по- ловины общей площади Sorp. На эффективность звукопоглощаю- щих облицовок влияет не только добавочное звукопоглощение АД но и размеры помещения, а также его конфигурация. Обли- цовка потолка наиболее эффективна при относительно небольшой высоте помещения (до 4—5 м), поскольку потолок в этом случае является одной из основных отражающих поверхностей. Наобо- рот, в высоких и вытянутых помещениях, где высота больше ши- рины, облицовка стен дает основной эффект. В помещениях ку- бической формы облицовывают и стены, и потолок. Расчет мероприятий по акустической обработке помещений проводят в такой последовательности: 1) определяют требуемое снижение ALTp в октавных полосах частот; 2) выбирают кон- струкцию звукопоглощающей облицовки с учетом спектра умень- шаемого шума и условий помещения; 3) определяют площадь звукопоглощающей облицовки 5обл и место ее установки. Возможны два пути определения площади облицовки, а) при- нимают решение облицевать в помещении определенные поверх- ности (потолок, стены или их часть) и затем, задаваясь разными площадями 5Обл, определяют возможное снижение шума AL по формуле C2) так, чтобы выполнялось условие AL^ALTP; б) оп- ределяют требуемую площадь 5Обл = АЛТр/аобл, где АЛтр — требуе- мое добавочное звукопоглощение, определяемое по номограмме рис. 97 при известных ALTp, а и Sorp. Например, необходимо знать площадь облицовки с коэффициентом звуко- поглощения ссо0л = 0,57 для получения требуемого снижения шума Д/-тр = 8 дВ (/=1000 Гц) в помещении размером 4X20X50 м ('5огр = 2560 м2, объем поме- щения 4000 м3). По формуле C4) находят средний коэффициент звукопогло- щения а = 0,072 (постоянная В = 300 м2) и по номограмме рис. 97 ДЛтр = = 650 м2, тогда 5Обл=928 м2. В этом случае наиболее рационально разместить облицовку на потолке помещения. Если в результате расчета требуемая пло- щадь облицовки окажется больше площади, на которой возможно установить облицовку, то 5Обл нужно принять максимально возможной, а недостающее звукопоглощение следует обеспечить за счет установки штучных звукопогло- тителей, количество которых «шт = (ДЛ гр — аобл5о6л)/Л ш,, где ЛШт — звукопоглощение одного штучного звукопоглотителя, определяется по СНиП 11-12—77. В тех случаях, когда применение звукопоглощающей облицовки невозмож- но, количество штучных звукопоглотителей для получения требуемого доба- вочного звукопоглощения яШт=ЛЛтр/Лшт. Средства звукоизоляции К этим средствам относят звукоизолирующие ограждения (сте- ны, перегородки и т.п.), звукоизолирующие кожухи и акустиче- ские экраны. Есть определенное различие в подходе к устройству 224
w ss s I си о. с о § о 8-521
'!„ In, звукоизолирующих конструкций для проектируемых объектов и уже эксплуатируемых. Так, если в стадии проектирования речь идет только о выборе соответствующей конструкции, обеспечиваю- щей требуемую звукоизоляцию, то для условий эксплуатации воз- никает, кроме того, необходимость улучшения звукоизолирующих качеств различных ограждений. С этих позиций и будем рассмат- ривать вопросы устройства звукоизолирующих ограждений и кон- струкции. Звукоизолирующие ограждения. Поскольку эффект изоляции звука основан на его от- ражении, для звукоизоля- ции в воздухе — среде с малым акустическим со- противлением, необходи- мо применять ограждения с большим акустическим сопротивлением. Из тео- рии акустики известно, что при нормальном (под углом 90°) падении звука на границу двух сред (рис. 98, а) с различны- ми акустическими сопротивлениями Z\ и Z2 коэффициент прохож- дения звука из одной среды в другую аЛр = /Прс//п (/пРс и /п — ин- тенсивности звука, соответственно прошедшего во вторую среду и падающего на ограждение) равен: 6} Рис. 98. К определению звукоизоляции ограж- дений Если Z2^>ZU то апр->-0, а коэффициент отражения звука р = = /о//п стремится к единице (/о — интенсивность отраженного звука). При расположении в воздухе массивного звукоизолирующего плоского ограждения бесконечных размеров (рис. 98, б) и тол- щиной h, намного меньшей длины продольной волны %„ в этом ограждении, колебания обеих поверхностей ограждения происхо- дят практически синфазно. Тогда проникновение звука можно рассматривать как результат излучения звука ограждением, ко- леблющимся под воздействием падающей волны. Ограждение ко- леблется как жесткое целое, причем основную роль здесь играет его инерционное сопротивление. В этом случае (рис. 98, г) сопро- тивление Zi равно удельному акустическому сопротивлению воз- духа Zi = pc (при нормальных условиях Zi = 410 Н-с/м3), а сопро- тивление Z2 включает в себя: инерционное сопротивление ограж- дения ZOTV=im(£> на единицу его площади (оэ = 2я/); т — поверхностная плотность, т. е. масса в кг одного квадратного мет- ра ограждения, кг/м2, и сопротивление воздуха за ним: 226
Z2 = imw + pr = 12л fm + pc, отсюда onp = I - | ( - /2ят/)/Bре + /2л/я/) | 2. Взяв модуль второго члена и проделав небольшие преобразова- ния, получим ОПР 1 + (я/|ЯJ/рс • В теории звукоизоляции используют понятие звукопроницаемо- сти т=/Пр//п (^пр — интенсивность звука, прошедшего за огражде- ние). При отсутствии потерь энергии в ограждении /пр=/Прс и апр=т. Звукоизоляция ограждения R представляет собой выраженную в децибелах величину, обратную х: ^[()| C6) При условии fm^>pc в выражении C6) можно пренебречь еди- ницей, тогда с учетом постоянной величины п/рс C7) рс В реальных условиях звуковые волны падают на ограждение под различными углами (звуковое поле диффузно), и звукоизоля- ция бесконечного ограждения уменьшается на 5 дБ: /? = 20IgOT/-47,5. C8) Итак, из формулы C8) следует, что R увеличивается с возра- станием массы ограждения, а для одного и того же ограждения зависит только от частоты звука. Звукоизоляция у ограждений конечных размеров за счет до- полнительной передачи звука через закрепленные края оказыва- ется несколько меньше, чем звукоизоляция, определенная по фор- муле C8). Нужно отметить, что в частотной характеристике какого-либо ограждения есть несколько диапазонов, где звукоизо- ляция подчиняется определенным зависимостям, в том числе и так называемому «закону массы» C8). Поэтому при проектирова- нии ограждений обычно используют методы расчета, основанные на теоретических и экспериментальных данных по звукоизоляции различных ограждений. В практических расчетах необходимо прежде всего определить величину требуемой звукоизоляции RTp, дБ, равную требуемому снижению шума ALTP. При излучении шума через стенки канала (см. рис. 37, в) ве- личину RtP стенок канала определяют по формуле #«> = #к - Lp + Л£Р + Ю lg (/у/7) - 20 lg г - AL ™ - £лш -11, C9) 8* 227
где обозначения те же, что и в выражениях B6), B8) и C1). Для эксплуатируемых установок, когда обнаруживается недоста- точная звукоизоляция стенок канала, величина добавочной звуко- изоляции ARtp равна требуемому снижению шума. Если шум излучается через строительные ограждения шумного помещения (см. рис. 87, г), то требуемую звукоизоляцию при про- ектировании определяют на основании выражений B6) и B8): /?гр= iOIg-^ 10°'IZ-P— 10 1gj5+ 10lgForP-20\gr-LAOn-5, а при эксплуатации, когда известен средний уровень звукового давления Lcp в шумном помещении: /?тр=£ср+ lOlg/'orp-^on-ll. D0) Повышенный шум в жилой застройке часто связан с недоста- точной звукоизоляцией окон и световых проемов. Отметим, что определяемая выражением D0) величина RTp для данного случая ил Й,дБ 60 50 А 30 20 - *< в/ - "■> - «о ос 1 1 1 1 1 1 1 1 h i с в i i i 200 L 0,05 0,1 0,15 0,25 0/t0,5 р ^g Толщина ограждения h,M 50г 45 35 30 63 125 250 500 1000 2000 WOO f/ц 100 150 200 300 L005S01001000 Поверхностная плотность, 2 Рис. 99. Частотная характеристика звукоизоляции ограждений из строительных материалов (а) и графики для определения координат точки В (б): / —р>1800 кг/м3; 2 — р = 1600 кг/м3; 3 — р=1400 кг/м3, 4 — р<1200 кг/м3 равна превышению измеренного УЗД в жилой застройке над до- пустимым при условии, что это превышение обусловлено только проникновением шума через ограждения помещения. После определения RTp необходимо запроектировать такую конструкцию, чтобы ее звукоизоляция R в каждой частотной по- лосе была бы не ниже RTp, т. е. 228
На практике применяют однослойные и многослойные звуко- изолирующие конструкции. Последние представляют собой два и более однослойных ограждения из твердых плотных материалов (бетон, газобетон, металл и т. п.) в сочетании со слоями пористых материалов типа минеральной ваты и т. п. Конструкцию звукоизолирующего ограждения, обеспечиваю- щую Rrp, выбирают по справочникам или рассчитывают, исполь- зуя приближенные методики расчета, приводимые далее. Расчет изоляции плоского однослойного ограждения от воз- душного шума состоит в построении частотной характеристики звукоизоляции этого ограждения в зависимости от его материала. Так, для материалов с поверхно- стной плотностью т от 100 до 1000 кг/м2 (бетон, железобетон, кирпич и т. д.) расчет проводят в такой последовательности: 1) определяют среднюю по- верхностную плотность огражде- ния, кг/м2, как m = ph, где р — плотность выбранного материа- ла, кг/м3, h—толщина огражде- ния, м; 2) строят частотную характе- ристику звукоизоляции, состоя- щую из трех прямолинейных участков АВ, ВС, CD (рис. 99, а). Координаты точки В находят по графикам рис. 99, б в зависимо- сти от толщины h и поверхност- ной плотности т ограждения. За- тем из точки В влево проводят горизонтальный отрезок АВ, а вправо от точки В — отрезок ВС с наклоном 7,5 дБ на октаву до точки С с ординатой Rc = 60 дБ. Из точки С вправо проводят го- ризонтальный отрезок CD. На рис. 99, а показана частотная ха- рактеристика изоляции воздушного шума бетонной перегородки с Л = 0,1 м, от = 220 кг/м2, р = 2200 кг/м3. Значения звукоизоляции На стандартных частотах берут по точкам пересечения линий ABCD соответствующих ординат. Так, для рассмотренного приме- Ра звукоизоляция на частоте 125 Гц равна 35 дБ. Для таких материалов, как металл, стекло и др., частотную характеристику изоляции воздушного шума плоским ограждением Также определяют графическим способом (рис. 100, а). Координаты точе'к В и С линии ABCD находят по табл. 53. 229 Рис. 100 Графики частотной харак- теристики звукоизоляции тонких ог- раждений: а — плоских; б — цилиндрических
Наклон отрезка ВА принимают равным 5 дБ на каждую октаву для конструкций из органического и силикатного стекла и 4 дБ —• для других материалов. Наклон отрезка CD составляет 8 дБ на октаву. Таблица 53 Материал Сталь Алюминиевые сплавы Силикатное стекло Органическое стекло Асбоцементные листы 6000/Л 6000/Л 6000/Л 17 000/Л 11 000/Л 12 000/Л 12 000/Л 12 000/Л 34 000/Л 22 000/Л 39 32 35 37 36 31 22 29 30 30 Примечание. /с=2/ц. Для цилиндрической стальной оболочки диаметром D, мм, и толщиной h, мм, частотная характеристика звукоизоляции имеет вид ломаной линии (рис. 100, б). Координаты точек В и С опре- деляют по формулам: 1,6 106 Ъ i * I J С 12-104 Отрезки ВА и CD проводятся соответственно с наклоном 6 и 8 дБ на октаву. При устройстве составных ограждений (перегородки с окнами, дверьми и т.д.) необходимо учитывать, что шум легко проникает через всевозможные неплотности в ограждениях, существенно снижая их звукоизоляцию. Необходимо, чтобы подобные ограж- дения имели такую звукоизоляцию входящих в них «слабых» элементов, чтобы средняя звукоизоляция составного ограждения была не ниже требуемой, т. е. Яср^Ятр. Величину Rcp определяют следующим образом: Яср-lOlg S, 'общ " - \ i-i / где 5ОбЩ—общая площадь составного ограждения, м2; S — пло- щадь отдельного элемента сплошной части ограждения, м2; /?,•—■ его звукоизоляция, дБ; п — количество всех элементов. Звукоизолирующие кожухи. Одним из распространенных и эф- фективных способов снижения шума машин и оборудования явля- ется установка на них звукоизолирующих кожухов, полностью за- крывающих источники шума. Это позволяет значительно умень- шить шум машин, поскольку устраняется свободное (прямое) распространение звуков волн. Конструкции применяемых кожухов 230
весьма разнообразны. В зависимости от вида машины и условий ее эксплуатации они бывают стационарными, съемными или раз- борными, могут иметь смотровые окна, открывающиеся дверцы, проемы для ввода различных коммуникаций и т. д. Эффектив- ность звукоизолирующего кожуха зависит не только от звукоизо- ляции его отдельных элементов, но и от герметичности. При уста- новке кожуха на машину, работа которой должна проходить при определенных температурах, необходимо делать систему обдува. С этой целью в кожухе для прохода воздуха делают отверстия, оборудованные глушителями шума, которые должны обеспечить снижение шума до требуемой звукоизоляции стенок кожуха и не должны иметь большое аэродинамическое сопротивление. Наибо- лее подходящими для этого являются щелевидные глушители из звукопоглощающего материала толщиной 50 мм, расположенного по обеим сторонам щели. Ширина щели должна быть в пределах 10—20 мм для одностороннего расположения материала и 30—■ 40 мм для двустороннего. Длина глушителя обычно составляет 500—700 мм. Стенки кожуха изготавливают из листовых несгораемых мате- риалов (сталь, дюралюминий, пластмассы и др.). Внутренняя по- 50мм во ВО 10 60 50 63 125 250 5001000 2000 4/ЩГц 6 Рис. 101. Звукоизолирующий кожух для радиального вентиля- тора (а) и спектры шума (б) верхность кожуха обязательно должна быть облицована звукопо- глощающим материалом толщиной 30 мм для высокочастотного шума и толщиной 100 мм для низкочастотного. Это необходимо Для уменьшения плотности звуковой энергии внутри кожуха и, в конечном итоге, для повышения его эффективности. Важно, что- бы кожух непосредственно не соприкасался с изолируемой ма- шиной. На рис. 101, а показана конструкция звукоизолирующего ко- Жуха для радиального вентилятора, состоящего из металлического Корпуса 1 толщиной 1,5 мм и слоя звукопоглощающего материала (минеральные плиты) 2 толщиной 50 мм. Для предотвращения проникновения шума в местах прохождения воздуховодов 231
через кожух сделаны уплотнения из резины 3, причем сами возду- хопроводы подсоединены к вентилятору через гибкие вставки 4. Вентилятор установлен на виброизоляторы 5. Установка такого кожуха существенно снижает шум вблизи вентилятора (рис. 101, б, кривые 1, 2 — соответственно, спектры шума до и после установки кожуха). Как показывает опыт, при установке кожуха на вентилятор должны быть приняты меры по звукоизоляции вы- ходящих из кожуха воздуховодов. Возможен также вариант, ког- да на входе и выходе вентилятора ставится трубчатый глушитель, который одновременно повышает звукоизоляцию и снижает шум, распространяющийся по воздуховодам. Требуемую эффективность звукоизолирующего кожуха опре- деляют по формуле Д^кож.тр = ^ — ^-доп + 5 , где L — рассчитанный по формуле B6) уровень звукового давле- ния в РТ или измеренный уровень; LAOn — допустимый уровень по нормам. При проектировании необходимо обеспечить фактическое сни- жение шума кожухом АЬКОЖ, которое было бы не меньше требуе- мой эффективности ALK07K тр. Значения Д£КОж для некоторых конструкций кожухов со стен- ками плоской формы приведены в табл. 54. Таблица 54 Конструкции Стальной лист, по- крытие из минерало- ватных плит (р=100 кг/м3) толщиной 70 мм Дюралюминиевый лист, покрытие из ми- нераловатных плит толщиной 80 мм Толщи на листа, мм 1,5 2 Размер элемента (между ребрами жестко- сти) 1X1 2X2 ГО 20 20 кож ПРИ среднегеометрических частотах октавных полос, Гц 125 30 15 s 26 20 § 35 28 О § 39 36 О 200 40 43 О 1 46 50 о 800 48 53 Снижение шума кожухом зависит от звукоизоляции стенок ко- жуха, его размеров, наличия и качества звукопоглощающей обли- цовки, источника шума и других факторов: Д£кож = #+ 10 1§аобл + AR, D1) где R — звукоизоляция стенок кожуха; аОбл — реверберационный коэффициент звукопоглощения облицовки внутренней поверхности 232
кожуха; AR— дополнительная звукоизоляция облицовки, значе- ния которой можно определить по табл. 55 (звукопоглощающий материал — слой супертонкого стеклянного или базальтового во- локна толщиной 30—50 мм с р = 20 кг/м3 или слой полужестких минераловатных плит толщиной 50—80 мм с р = 100 кг/м3). Если расчет по формуле D1) показал, что для принятой кон- струкции кожуха значение АЬКОЖ оказалось меньше требуемого AZ-кож Тр, то необходимо увеличить толщину стенки кожуха, при- менить для него другой материал или заменить звукопоглощаю- щий материал на более эффективный. Таблица 55 Размер стен- ки кожуха а. м а<1 м а>2 м Дополнительн 63 1 125 1 2 ая звукоизоляция hR, дБ, на среднегеометрических частотах 250 2 4 октавных полос 500 5 8 1000 6 12 2000 8 16 4000 9 20 8000 10 22 Акустические экраны. Такие звукоизолирующие конструкции устанавливают на территории предприятия для снижения шума, создаваемого открыто установленными источниками в окружаю- щей среде. Применение экранов оправдано только в том случае, если шум экранируемого источника не менее чем на 10 дБ выше уровней, создаваемых другими источниками в застройке. Акустическая эффективность экрана АЬэкр— это снижение уровней звукового давления в РТ, расположенной за экраном, которое зависит прежде всего от размеров и формы экрана, рас- стояния от источника шума и РТ до экрана, частоты звука и др. Экраны могут быть плоской или П-образной формы, гладкими (из металла, пластмассы и т. п.) или (чаще всего) со звукопогло- щающей облицовкой толщиной не менее 50 мм со стороны источ- ника шума. Экраны могут быть стационарными и передвижными. Величину AL9Kp в условиях открытого пространства рассчиты- вают на основе оптико-дифракционного представления звукового поля в зоне акустической тени, образующейся за экраном, по формуле iois D2) где AL'3kp — акустическая эффективность экрана бесконечной про- тяженности, определяемая по рис. 102, а в зависимости от вели- чины 6i = ai + 6i + rfi и частоты f (рис. 102, б); ALn3Kp и А£шэкр — акустические эффективности экрана бесконечной высоты, опреде- 233
ляемые по рис. 102, а в зависимости от б2=а2 + ^2 + ^2 и 5з = = a3 + b3 + d3 (fli, п2, а3-—кратчайшие расстояния от источника до верхней и боковых границ экрана; Ьь b2, b3 — кратчайшие рас- стояния от верхней и боковых границ экрана до РТ; d\, d2, d3 — кратчайшие расстояния от РТ до верхней и боковых границ источ- ников шума). Ширина и высота экрана должны в три и более раз превышать соответствующие размеры источника для того, чтобы зона аку- Цзо Л 2В -л <3 PT Рис. 102. Акустическая эффективность экрана стической тени, а следовательно, и AL3Kp были как можно больше. Поскольку эффективность экранирования тем выше, чем больше высота и ширина экрана по отношению к длине звуковой волны, экраны целесообразно применять для снижения средне- и высоко- частотного шума. § 33. ГЛУШИТЕЛИ ШУМА Повышенный шум в окружающей среде часто создается при работе вентиляторных, компрессорных и газотурбинных устано- вок, систем сброса сжатого воздуха, стендов для испытания раз- 234
личных двигателей и других источников аэродинамического про- исхождения. Снижение этого шума осуществляется глушителями, установленными в каналах, трубопроводах, воздуховодах. В зависимости от принципа действия глушители делят на аб- сорбционные, реактивные (рефлексные) и комбинированные. Сни- жение шума в абсорбционных глушителях происходит за счет по- глощения звуковой энергии в применяемых для них звукопогло- щающих материалах, а в реактивных глушителях — в результате отражения звука обратно к источнику. Комбинированные глуши- тели обладают свойством как поглощать, так и отражать звук. Такое деление условно, поскольку в каждом глушителе звуковая энергия и поглощается, и отражается (только в разных соотноше- ниях). Выбор типа глушителя зависит от спектра* шума источника, требуемого снижения шума, конструкции заглушаемой установки, допустимого аэродинамического сопротивления. Схемы конструкций глушителей абсорбционного типа приведе- ны на рис. 103. Эти глушители обеспечивают необходимое сниже- ние шума в широком диапазоне частот при небольшом аэродина- мическом сопротивлении, поэтому они нашли широкое применение в аэродинамических установках Наиболее простыми из них яв- ляются трубчатые глушители (рис 103, а, б), в которых каналы / круглого, квадратного или прямоугольного сечений, выполнен- ные из перфорированного листового материала с коэффициентом перфорации не менее 0,2, облицованы слоем 2 звукопоглощающего материала типа супертонкого стеклянного или базальтового во- локна (р = 25 кг/м3), минераловатных плит (р= 100 кг/м3). Для предотвращения выдувания звукопоглощающий материал защи- щают слоем стеклоткани типа ЭЗ-100. Трубчатые глушители, как правило, применяют в каналах с поперечными размерами до 500— 600 мм. Такое ограничение по размерам связано с необходимостью выполнения трубчатого глушителя минимальной длины (не более 1—2 м) для обеспечения требуемого снижения шума. Дело в том, что снижение шума ALra абсорбционным глушителем прямо про- порционально его длине /, коэффициенту звукопоглощения а при- меняемого материала, периметру П облицовочной части попереч- ного сечения глушителя и обратно пропорционально площади S поперечного сечения, т.е. А£гл~/аП/5. Поэтому для широких ка- налов A—6 м) при существенном снижении шума (на 15—70 дБ) длина трубчатого глушителя оказывается слишком большой. На- пример, для снижения УЗД на 20 дБ в октавной полосе с f= = 500 Гц в каналах диаметром 125 мм и 2500 мм требуется уста- новка трубчатого глушителя длино