Расчеты выбросов в атмосферу при вентиляции промышленных зданий

И. М. Квашнин, канд. техн. наук, ведущий специалист НПП «Энергомеханика», г. Пенза

Проектирование систем местной вытяжной вентиляции осуществляют исходя из расчета объема воздуха, удаляемого местными отсосами, предполагая, что с ним уносится основное количество загрязняющих веществ. С одной стороны, СНиП [1, с. 32] рекомендует выбрасываемую пылегазовоздушную смесь, как правило, очищать. С другой стороны, по этому же СНиП допускается не предусматривать очистку выбросов вентиляционными источниками малой мощности или если очистка выбросов не требуется в соответствии с разделом проекта строительства «Охрана атмосферного воздуха». Необходимость установки пылегазоочистных аппаратов (ПГА) в последнем случае, а для действующих предприятий по проекту нормативов предельно допустимых выбросов (ПДВ) определяется расчетом рассеивания по методике ОНД-86 [2]. Критерием ПДВ служит условие, чтобы концентрация загрязняющих веществ на границе санитарно-защитной зоны (СЗЗ) и жилого сектора не превышала ПДК. Внутри СЗЗ разрешается многократное превышение ПДК. В связи с этим на одном и том же источнике загрязнения атмосферы (вентиляционной системе) на обязательность установки ПГА влияют: размер СЗЗ, близость к границе СЗЗ, равномерность распределения нескольких источников по территории и другие факторы. Правда СНиП [1] предписывает, чтобы в воздухозаборных устройствах приточного воздуха концентрация вредных веществ не превышала 0,3 ПДК для рабочей зоны производственных помещений. Чтобы проверить это условие при проектировании вентиляции, нужно произвести еще один расчет рассеивания выбросов предприятия для всех ЗВ и групп суммаций с учетом фоновых концентраций, что нереально. Рациональней это сделать при нормировании выбросов, но этого условия нет в экологических документах и требованиях.

По СНиП [1, с. 62] объем приточного воздуха рассчитывают по массе выделяющихся вредных веществ, поступающих в воздух помещения. Эти данные традиционно представляются технологами по отраслевым нормам технологического проектирования, которые выпущены до девяностых годов прошлого столетия и в некоторых случаях вошли в противоречие с действующими экологическими методикамипо расчету выбросов загрязняющих веществ в атмосферу. Экологические методики и компьютерные программы выбросов имеют общий недостаток — отсутствует разделение выделяющихся ЗВ между местной и общеобменной вентиляцией при их выбросе в атмосферу. Опытные инженеры-экологи вручную досчитывают это разделение или некоторые источники просто не учитываются. Лишь в методическом пособии [3] введено такое разделение для механической обработки металлов. Предлагается при расчете выделений и выбросов ЗВ воспользоваться понятием коэффициента эффективности местных отсосов К_МО, исследованного В. Н. Посохиным (1983 г.). Он показывает, какая доля от общей массы выделяющегося загрязняющего вещества улавливается местным отсосом и выбрасывается в атмосферу местной вытяжной вентиляцией. Оставшаяся доля (1-К_МО) будет поступать в воздух помещения и выбрасываться через общеобменную вентиляцию.

Можно выделить три основные схемы вентиляции помещений и расчета выбросов:

1. В помещении имеются местная и общеобменная вытяжная системы. Через каждую будут выбрасываться загрязняющие вещества в долях К_МО и (1-К_МО) от их общего количества.

2. В помещении имеются только местные вытяжные системы вентиляции, тогда К_МО = 1, а (1-К_МО) = 0. Все вредности удаляются через эти системы.

3. В помещении имеются только общеобменные вытяжные системы вентиляции, тогда К_МО = 0, а (1-К_МО) = 1.

При первой и второй схемах возможны более сложные варианты. Если в помещении имеется несколько местных вытяжных систем с выделением различных загрязняющих веществ, неуловленная часть одних ЗВ будет распространяться по помещению и частично удаляться через местные отсосы других систем, а не только через общеобменную вентиляцию. Это отражено и в формуле СНиП [1] при расчете воздухообмена по массе выделяющихся вредных веществ. Массовая доля этих вредностей невелика, т. к. концентрация ЗВ в рабочей зоне не должна превышать ПДК. Учет этого обстоятельства неоправданно усложнит и запутает расчеты, поэтому им пренебрегаем. На картине рассеивания и установке ПГА это практически не отразится.

Для первой и третьей схем существует вариант, когда загрязняющие вещества удаляются не одной, а несколькими системами общеобменной вентиляции с различной производительностью по воздуху L₁, L₂...L_n, м³/ч. Принимаем допущение, что концентрация вредностей С, мг/м³, одинакова по всему объему помещения. Тогда вся масса вредностей SМ, г/с, поступающих в воздух помещения, будет удаляться каждой системой пропорционально ее производительности:

SM = C • (L₁+ L₂ + … + L_n) =
= c • L₁+ c • L₂ + … + c • L_n =
= M₁+ M₂ + … + M_n .

Здесь концентрация определяется при известных значениях SМ и L₁, L₂...L_n. Возможен и смешанный вариант: имеются местные и общеобменные системы вентиляции, а также источники выделения (станки), не оборудованные местными отсосами. Долю ЗВ, выбрасываемых местными отсосами, считаем так же, как в схеме 1. Доля ЗВ, выбрасываемых общеобменными системами, будет складываться из доли ЗВ, неуловленных местными отсосами, и всех ЗВ, выделяемых оборудованием без местных отсосов. Наиболее сложным при смешанном варианте является случай, когда в помещении имеются источники выделения (например, заточные станки), оборудованные индивидуальными ПГА. От них в общеобменную вентиляцию будут поступать ЗВ, не уловленные местным отсосом и прошедшие очистку, но не уловленные ПГА.

На практике для существующих предприятий возможен случай, когда в помещении вытяжная вентиляция вообще отсутствует. Авторы пособия [3] рекомендуют вводить поправочный коэффициент 0,2 для выбросов абразивной, металлической и древесной пыли и 0,4 — для остальных материалов. То есть 20 или 40 % от количества выделившейся пыли будет выбрасываться в атмосферу, а остальная часть оседать в помещении. С одной стороны, это отражает фактическую картину, но и без расчетов понятно, что ПДК воздуха рабочей зоны будет многократно превышена. Думается, следует учитывать выбросы в полном объеме. При расчете рассеивания и нормировании выбросов эти источники будут включены в план мероприятий с установкой на них ПГА. Тем самым, возникнет необходимость в устройстве систем аспирации и достижении ПДК в воздухе рабочей зоны. Таким образом, для проектирования систем вентиляции требуется знать массовые грамм-секундные выделения и выбросы в атмосферу всех ЗВ от имеющихся в помещении источников выделения вредностей. Кроме этого, для разработки экологических документов — инвентаризации, экологического паспорта, «2ТП-воздух», раздела проекта «Охрана атмосферного воздуха» и других — требуется расчет валовых, т/год, выделений и выбросов в атмосферу. В настоящее время такие расчеты и полные исходные данные для них приведены в специальных экологических методиках, насчитывающих больше ста наименований. Все они имеют ярко выраженный отраслевой характер. Поэтому при аналогичных исходных данных расчетные формулы разрознены, не систематизированы, имеют различный вид, иногда приведены не в полном объеме. Это обуславливает отсутствие ясности и единого методологического подхода к расчету выбросов, существенно осложняет обучение и работу проектировщиков. В связи с этим предпринята попытка уйти от отраслевого принципа, классифицировать и привести к единообразию наиболее часто употребляемые методики расчета выбросов, в зависимости от характера исходных данных:

1) по характеристике оборудования;

2) по удельным выделениям на единицу меры используемого материала (массы, длины, площади, объема);

3) по заданной интенсивности испарения с единицы поверхности;

4) по балансу массы материалов и загрязняющих веществ.

В основе первой методики лежит определение массового выделения (выброса) ЗВ по какой-либо характеристике оборудования на основании справочных данных, приведенных в отраслевых методиках. Удельные выделения ЗВ единицей оборудования М₁ могут иметь размерность: г/с, г/мин, г/ч. В самом простейшем случае это марка станка, например деревообрабатывающего, электроэрозионного или сварочной машины, используемой при производстве железобетона. Яркий пример характеристики оборудования: диаметр абразивного круга заточного, шлифовального или полировального станков; мощность электродвигателя токарного, фрезерного или сверлильного станков для обработки металлов. Это могут быть также технологические операции загрузки-выгрузки, пересыпки, дробления сыпучих материалов и другие процессы. Массовое количество ЗВ М, г/с, отходящего от n единиц оборудования и поступающего в местную вытяжную вентиляцию с коэффициентом эффективности местных отсосов К_МО, определяется по формуле

M = M₁• n • K_MO . (1)

Доля ЗВ, не уловленная местными отсосами и попадающая в общеобменную вытяжную вентиляцию, рассчитывается путем замены К_МО на (1-К_МО). Валовое количество выделяющихся ЗВ В, т/год, определяется по формуле

B = 0,0036 • T • M, (2)

где Т — время работы оборудования — источников выделения ЗВ, ч/год;

0,0036 — переводной коэффициент из секунд в часы и из граммов в тонны.

В основе второго метода лежит величина удельного выделения ЗВ на единицу меры используемого материала — У. Наиболее распространена размерность У — г/кг, т. е. отношение к массе расходуемого материала: при электро- и газосварке, производстве железобетонных изделий, в литейном производстве, термических цехах, получении изделий из пластмасс, герметизации деталей радиоэлектронной аппаратуры и др. Это, как правило, нестационарные процессы, поэтому расход материалов следует брать за какой-то промежуток времени и, соответственно, осреднять величину массового выброса М, г/с. Правильным будет интервал 20 мин, в пределах которого осредняется максимально разовая ПДК и атмосферного воздуха, и воздуха рабочей зоны. В большинстве отраслевых методик этот интервал принят равным 1 часу. Хотя это может несколько занижать массовые выбросы, но более удобно для получения исходных технологических данных. Тогда массовые и валовые выделения (выбросы) через местную систему вентиляции будут равны:

М = У • В_Ч • К_МО / 3600, (3)
В = У • В_Г • К_МО• 10^-6, (4)

где В_Ч и В_Г — часовой и годовой расход материалов, кг/ч и кг/год соответственно;

3600, 10^-6 — переводные коэффициенты.

Реже встречаются случаи, когда удельные выделения заданы на единицу длины — г/м или г/км, единицу площади — г/см², г/дм² или г/м², единицу объема — г/м³. Следовательно, величина, характеризующая интенсивность технологического процесса В_Ч в формуле (3) будет иметь размерность: м/ч, км/ч, см²/ч, дм²/ч, м²/ч, м³/ч, величина годового расхода В_Г в формуле (4) , соответственно, будет м/год и т. д. Третья методика основана на задании удельного выделения ЗВ с единицы площади за единицу времени — У, г/(м²•с). Тогда массовые выделения ЗВ в местную вентиляцию будут равны

М = У • F • К_МО, (5)

где F — площадь поверхности испарения, м².

Эта зависимость используется для расчета выбросов при операциях литья по выплавляемым моделям, лужении, пайке «волной», погружением в припой и др. Она же лежит в основе методики расчета выбросов при нанесении гальванических покрытий. Отличие состоит в том, что для химических и электрохимических процессов вводится ряд дополнительных коэффициентов, учитывающих условия испарения. Валовые выбросы ЗВ рассчитывают по формуле (2). Четвертый тип методик основан на балансе массы исходного материала, одна часть которого превращается в готовое изделие (продукцию), другая часть уходит в твердые или жидкие отходы, а третья — в виде паров, газов или пыли поступает в воздух. Все части выражены в процентах или долях от массы исходного материала. При часовом осреднении массовые и валовые выделения (выбросы) ЗВ через местную вентиляцию в общем виде можно определить по формулам:

М = В_Ч • f • δ • K_МО / 3,6; (6)
В = В_Г • f • δ • К_МО• 10^-3, (7)

где В_Ч и В_Г — часовой и годовой расход исходного сырья, кг/ч, кг/год;

f — доля конкретного вещества, содержащегося в массе исходного материала, если материал состоит из одного вещества f = 1;

δ — массовая доля конкретного вещества, поступающая в воздух от общей массы этого вещества, содержащегося в исходном материале, если вещество полностью испаряется в воздух, то δ = 1;

3,6; 10^-3 — переводные коэффициенты.

Такой подход реализован в методике нанесения лакокрасочных материалов пневматическим распылением. Каждый вид ЛКМ в своем составе имеет определенную долю сухого остатка (неиспаряющейся части) и одного или нескольких растворителей — f. Доля сухого остатка δ, поступающего в воздух, принимается равной 0,3 (30 %), а доля растворителей — 1,0 (100 %). Величина δ для растворителей разбивается на две части: δ₁ = 0,25 — для окрасочной камеры и δ₂ = 0,75 — для сушильной камеры. Соответственно, формулы (6) и (7) просчитываются два раза для этих двух вентиляционных систем. По этому же принципу построена методика расчета выбросов пыли сыпучих материалов при их пересыпке. Материал однородный, поэтому f = 1, а величина δ состоит из ряда коэффициентов, учитывающих крупность и влажность материала, действие ветра, конструкцию укрытия. Такая методика используется при расчете выбросов производства строительных материалов, литейном производстве, на объектах энергетики. Предложенная классификация не претендует на полноту, т. к. физические основы процесса выделения ЗВ существенно отличаются. Однако, некоторые многооперационные технологические процессы можно представить из элементов приведенных методик. Формулы (1)–(7) используются и для расчета выбросов через общеобменные системы вентиляции путем замены коэффициента К_МО на (1-К_МО).

Выводы

1. Методические основы расчетов выделений и выбросов ЗВ в атмосферу, требования к установке ПГА при проектировании вентиляции и разработке экологических документов имеют различия и несоответствия.

2. Расчеты выбросов в атмосферу следует проводить с учетом коэффициента эффективности

улавливания ЗВ местными отсосами.

3. С целью единого методологического подхода к расчету выбросов ЗВ предлагается уйти от отраслевого принципа построения методик и классифицировать их по характеру исходных данных.

4. Предложены расчетные формулы по наиболее часто встречающимся методикам с учетом разделения выделений и выбросов ЗВ между местной и общеобменной вентиляцией.

Литература

1. СНиП 02.04.05-91*. Отопление, вентиляция и кондиционирование. Госстрой России. М.: ГУП ЦПП, 2002.

2. ОНД-86. Методика расчетаконцентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий. Л.: Гидрометеоиздат, 1987.

3. Методическое пособие по расчету, нормированию и контролю выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух. СПб.: Интеграл, 2002.

Тел. (8412) 35-02-53