Вентиляция деревообрабатывающих цехов

Очистка воздуха в циклонах и фильтрах с рециркуляцией

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

Классическая схема организации воздухообмена в советское время была следующая: воздух местными отсосами-пылеприемниками забирается от станков и удаляется наружу пылевым вентилятором с последующей очисткой в циклонах, в редких случаях в рукавных фильтрах. С целью соблюдения уравновешенного воздушного баланса для компенсации аспирационного воздуха в верхнюю зону воздухораспределителями равномерной раздачи типа ВК или других типов подается приточный воздух. Воздухообмен осуществляется по схеме «сверху-вниз».

Подача воздуха компактными сосредоточенными струями не допускалась, для того чтобы пыль, в том числе осевшая на пол, не распространялась по всему помещению. Экологические требования и нормы были простыми. Экологическая отчетность (инвентаризация, проект нормативов ПДВ и др.) согласовывалась со службами Гидрометеоцентра. Аспирационная установка, оснащенная циклоном, вопросов не вызывала. Лишь в 1988 году образовался Комитет по охране природы (сейчас Росприроднадзор и Ростехнадзор).

Авторы [4, с. 11] в 1988 году писали: «На деревообрабатывающих предприятиях нашей страны в настоящее время применяются в основном прямоточные системы аспирации, чаще всего централизованные с постоянной производительностью. Рециркуляционные системы аспирации применяются крайне ограниченно из-за отсутствия отечественных рециркуляционных пылеуловителей, предназначенных для очистки аспирационного воздуха от древесных отходов». Следует отметить, что многие приточные вентиляционные установки работали неудовлетворительно или не включались. Громоздкие приточные камеры в соответствии с проектом требовали огромного количества теплоты. Сейчас, в условиях значительного роста цен на энергоносители и смены собственника, проблема поддержания температурных условий в цехе встала в полный рост.

В 90-х годах прошлого столетия произошел качественный скачок к допустимым требованиям по уровню концентрации древесной пыли в воздухе населенных мест. Ориентировочный безопасный уровень воздействия (ОБУВ), который играет роль предельно допустимой концентрации (ПДК), ужесточился с 0,5 до 0,1 мг/м³, т. е. в 5 раз! Автор этих строк много лет занимался разработкой проектов нормативов ПДВ. На одной из мебельных фабрик было установлено 14 различных циклонов, суммарный выброс от которых вполне укладывался в допустимые нормативы. После введения нового ОБУВ при разработке очередного проекта норматива ПДВ, срок действия которого ограничен пятью годами, в плане мероприятий по снижению выбросов пришлось записать, что часть циклонов типа «К» следует заменить на более эффективные типа «УЦ», а на семи источниках установить вторую ступень очистки – рукавные фильтры. Проблематично было даже не вернуть, а произвести выброс пылевоздушной смеси в атмосферу. Притом что концентрация пыли на выходе из циклона в десятки раз может превышать ОБУВ, его соблюдение требуется после рассеивания выброса в приземном слое атмосферы на границе (и далее) санитарно-защитной зоны предприятия.

В 2002 году вышли новые гигиенические нормативы Роспотребнадзора (бывший Госсанэпиднадзор) ГН 2.1.6.1125–02, замененные позже на ГН [2], в которых произошла метаморфоза: ОБУВ для древесной пыли вновь увеличился с 0,1 до 0,5 мг/м³. Трудно однозначно сказать, с чем это связано, но даже неспециалисту ясно, что эта пыль не вреднее, чем, например, цементная, ПДК для которой 0,3 мг/м³. Возможно, предприятия стали массово штрафовать за невыполнение мероприятий по снижению выбросов, которые нереально выполнить как с финансовых, так и с технологических позиций. Под рукавный фильтр требуется достаточная площадь. Нужно увеличивать мощность вентилятора или ставить последовательно еще один.

1. Обеспечение ПДК древесной пыли в воздухе рабочей зоны

Для рабочей зоны производственных помещений существуют свои нормативы качества воздуха – среднесменная, или максимально разовая ПДК. У древесной пыли среднесменная ПДК равна С_рз = 6 мг/м³ [6] и сохраняется много лет. По СНиП [7] допустимая концентрация вредностей в приточном воздухе составляет 30 % от ПДК в воздухе рабочей зоны, т. е. в нашем случае С_пр = 1,8 мг/м³.

При работе станков образуется пыль (размеры частиц до 200 мкм), опилки, стружка. Зону выделения пыли локализуют путем использования различных видов кожухов, укрытий. Кожух имеет выходной патрубок для подключения к аспирационной системе. Его ориентация в пространстве по возможности должна совпадать с траекторией движения образующихся частиц. Все это устройство называют пылеприемником, или местным отсосом. У одного станка может быть до пяти и более пылеприемников. Диаметр патрубка пылеприемника зависит от двух факторов:

- степени укрытия режущей части инструмента станка;

- количества выделяющихся отходов.

Полностью укрыть зону обработки не удается, т. к. необходимо подавать заготовку и убирать обработанную деталь. Путем отсоса воздуха в зазорах между кожухом и деталью требуется создать такую скорость движения воздуха, подсасываемого из помещения, чтобы воспрепятствовать выбиванию пыли наружу. Чем меньше зазоры и неплотности, тем меньше объем отсасываемого воздуха. В пылеприемнике, таким образом, создается пониженное давление – разрежение. Некоторые зарубежные станки оборудуются датчиками давления и вообще не включаются без эффективной работы аспирационной системы. Пылеприемники конструируют, испытывают и устанавливают на заводе-изготовителе.

Факел всасывания, в отличие от приточной струи, имеет очень маленький размер. Например, для круглой трубы на расстоянии одного диаметра (калибра) скорость всасывания составляет 7 % от скорости во входном сечении. По-этому эффективность улавливания пыли может резко снизиться при зазорах уже в несколько сантиметров. В реальности часть пыли все равно попадает в воздух помещения и на пол. До недавнего времени в нормативных документах эффективность пылеприемников устанавливалась на уровне 90 % [3]. Если учесть, что выделения пыли именно в деревообработке очень большие, то это очень низкий показатель. Четких цифр по эффективности работы местных отсосов ни в нормативной, ни в технической литературе автором не обнаружено.

Другой фактор, определяющий диаметр выходного патрубка, – это количество отходов, образующихся в единицу времени. В системах аспирации используются пылевые вентиляторы, развивающие относительно небольшое полное давление – до 4 000–5 000 Па. Поэтому масса отходов, перемещаемых 1 м³ воздуха, ограничена. Напомним, что отношение массы перемещаемых отходов, кг/ч, к массовому расходу воздуха, кг/ч, называется расходной массовой характеристикой μ – безразмерная величина (1 м³ воздуха при стандартных условиях, t = 20 ºС, имеет массу 1,2 кг). Если величина μ < 0,01, то при расчетах аэродинамического сопротивления системы аспирации влиянием массы отходов пренебрегают и расчет ведут как для «чистого» воздуха. Максимальное значение величины μ не должно превышать 0,2 [4]. Из нашего опыта оно не превышает 0,1. Зная максимальное количество отходов, образующихся при работе станка, и задаваясь значением μ, легко подсчитать минимальный объем аспирируемого воздуха L, м³/ч, от каждого местного отсоса. В качестве отходов в данной статье подразумеваются пыль, опилки, стружка, удаляемые аспирационной системой, но не крупные обрезки заготовок, удаляемые вручную или иным способом. Для транспортирования щепы используют, например, воздуходувки.

Исходя из уравнения расхода

L = Fu•3600, (1)

можно выразить площадь патрубка пылеприемника F, м², и, соответственно, его диаметр. Важной величиной является скорость воздуха в патрубке. Если определяющим фактором является большая масса образующихся отходов, то она должна быть больше или равна скорости их транспортирования, предотвращающей оседание отходов во избежание «забивания». По справочнику проектировщика [4] скорость транспортирования древесных отходов равна 17–18 м/с. Именно такую скорость, как правило, принимают в патрубках станков, в которых образуются опилки и стружка. При таком подходе не достигается высокая герметизация кожуха, мелкие фракции пыли попадают в рабочую зону помещения. В соответствии с конструктивными особенностями станка эту скорость иногда принимают равной 25 м/с, редко 30 м/с.

При операциях шлифования образуется мелкая пыль, которая долгое время может находиться во взвешенном состоянии. Именно ее присутствие нежелательно в рабочей зоне помещения. Скорость в зазорах кожуха и создаваемое разрежение должны быть по возможности максимальными. Однако достичь этого удается не всегда. Скорости в патрубках станков отечественного производства могут даже понижаться до 16 м/с, в соответствии со скоростью транспортирования этой пыли. Могут и увеличиваться до 30–35 м/с. Рекомендуемые значения L и υ приведены в [3, 4, 5]. Следует отметить, что в подавляющем большинстве станков зарубежного производства скорость высокая и равна 28–35 м/с.

Скорость воздуха в патрубке пылеприемника или объем удаляемого воздуха, реже – требуемое разрежение, определяются производителем и приводятся в паспорте станка.

Скорость движения воздуха в воздуховодах может отличаться от скорости в патрубках пылеприемников. Они соединяются между собой плавно расширяющимся переходом – диффузором. Как отмечалось, достаточная величина, υ = 17–18 м/с, может быть повышена до 20 м/с. Дальнейшее увеличение скорости связано со значительным повышением потерь давления в сети воздуховодов и соответствующими затратами электроэнергии на привод вентилятора. Мало того, при скорости в воздуховодах 30–35 м/с и их длине в несколько десятков метров давления, создаваемого отечественным пылевым вентилятором, может не хватить, с учетом потерь давления в циклоне.

Таким образом, мы установили, что даже при эффективной работе аспирационных систем часть выделяющейся при работе станков пыли поступает в воздух помещения. Далее пыль распространяется по помещению в соответствии с движением воздушных потоков, вновь попадает частично в этот и другие пылеприемники, частично оседает на пол, стены и оборудование.

Проанализируем пример, приведенный в [3, с. 119] по расчету выбросов древесной пыли в атмосферу системой аспирации и общеобменной вытяжной вентиляции. На участке имеется пять станков, которые выделяют 32,4 кг/ч опилок и пыли. С учетом неполной загруженности станков в расчетный 20-минутный интервал времени, одновременности их работы (три из пяти станков), удаления 95 % вредностей системой аспирации и 80 % оседаний неуловленной пылеприемниками пыли в воздух помещения поступает m = 0,0287 г/с = 103320 мг/ч. Это составляет 0,32 % от начальной величины отходов. Порядок цифр реальный для небольшой мастерской. Требуемый воздухообмен на разбавление вредностей до ПДК [7]:

(2)

где L_мо – объем воздуха, удаляемого местными отсосами, принимаем по прил. 12.1 [3].

С_уд – концентрация пыли в удаляемом воздухе, мг/м³. Считаем, что пыль равномерно распределена в помещении, поэтому С_уд = С_рз = 6 мг/м³.

Тогда

(3)

То есть дополнительно к системе аспирации должна быть предусмотрена мощная общеобменная система вентиляции, что на практике не делается. Для удаления всей пыли из воздуха помещения производительность системы аспирации должна быть

(4)

вместо имеющихся 4 400 м³/ч, т. е от каждого небольшого станка примерно по 5 000 м³/ч, что также нереально.

Заключение по части 1: Достижение ПДК воздуха рабочей зоны традиционно применяющимся оборудованием – трудновыполнимая задача.

Литература

1. Квашнин И. М., Хохлов Д. В. Очистка воздуха на предприятиях деревообрабатывающей промышленности. Малогабаритные пылеуловители (промышленные фильтры) для аспирации древесной и других видов пыли // АВОК. – 2005. – № 8.

2. ГН 2.1.6.1339–03. Ориентировочные безопасные уровни воздействия (ОБУВ) загрязняющих веществ в атмосферном воздухе населенных мест.

3.  Квашнин И. М. Промышленные выбросы в атмосферу. Инженерные расчеты и инвентаризация. – М. : АВОК-ПРЕСС, 2005.

4.  Александров А. Н., Козорис Г. Ф. Пневмотранспорт и пылеулавливающие сооружения на деревообрабатывающих предприятиях: справочник / Под ред. А. Н. Александрова. – М. : Лесная промышленность, 1988.

5. Справочник проектировщика. Внутренние санитарно-технические устройства: в 3 ч. Ч. 3. Вентиляция и кондиционирование воздуха. Кн. 1 /

В. Н. Богословский, А. И. Пирумов, В. Н. Посохин и др.; Под ред. Н. Н. Павлова, Ю. И. Шиллера. – 4-е изд. – М.: Стройиздат, 1992.

6. ГН 2.2.5.1313-03. Предельно допустимые концентрации вредных веществ в воздухе рабочей зоны.

7. СНиП 41-01–2003. Отопление, вентиляция и кондиционирование.