Совершенствование систем обеспыливания технологического оборудования цехов производства силикатного цветного кирпича

Актуальность темы исследования. Динамика развития строительства, и
прежде всего жилищного комплекса, в нашей стране достаточно высока. Только в
1 квартале 2019г введено 24,5 млн кв.м. жилых и нежилых зданий. В 2019г введено
более 50 млн кв.м. жилья, что на 5% выше, чем в предыдущем году. Такие высокие
темпы строительства вызывают необходимость в качественных строительных ма-
териалах. В «Сводной стратегии развития обрабатывающей промышленности Рос-
сийской Федерации до 2024г и на период до 2035 г» к числу приоритетных групп
продукции отрасли производства строительных материалов относится производ-
ство кирпича, которое к 2035г должно составить 9500млн. условных кирпичей в
год, что превышает производство кирпичей более чем в 4 раза, чем выпуск достиг-
нутый в 2019г (2024 млн. условных кирпичей в год).
Производство кирпича включает в себя технологические процессы дробле-
ния, перемешивания, транспортирования, пересыпки сырьевых материалов, что
обуславливает интенсивное пыление в воздухе рабочих зон с концентрацией, кото-
рая в несколько раз может превысить уровень предельно допустимой концентра-
ции в воздухе рабочей зоны (ПДКр.з.). Пыль в воздухе рабочей зоны является вред-
ным производственным фактором, ее длительное воздействие может привести к
широкому спектру профессиональных заболеваний: пневмокониозы, силикозы,
пылевые бронхиты.
Особенностью производства цветного силикатного кирпича является приме-
нение окрасочных пигментов, как неорганических, так и органических. Пыль зна-
чительной часть пигментов обладает взрывопожароопасными свойствами, поэтому
является опасным производственным фактором, так как ее накопление может при-
вести к возникновению пожароопасной ситуации.
Неудовлетворительное состояние воздушной среды цехов производства
цветного силикатного кирпича в значительной степени объясняется выбиванием
пыли от технологического оборудования и недостаточно эффективной работой си-
стем обеспыливания.
Поэтому актуальным вопросом, особенно в условиях значительного увеличе-
ния объемов производства, является совершенствование систем обеспыливания
оборудования цехов производства цветного силикатного кирпича, направленное на
уменьшение запыленности воздуха рабочих зон, и тем самым, снижение вероятно-
сти воздействия вредных опасных и производственных факторов на работающих.
Степень разработанности темы диссертационного исследования.
В разработку средств и методов создания оптимальных условий в рабочей
зоне производственных помещений строительных производств, повышения эффек-
тивности систем обеспыливания, методов подбора пылеочистного оборудования
внесли: Азаров В.Н., Аверкова О.А., Амерханов Р.А., Беспалов В.И., Богуславский
Е.И., Вальдберг А.Ю., Ищук И.Г., Коптев Д.В., Кудряшов В.В., Логачев И.Н., Ло-
гачев К.И., Мензелинцева Н.В., Минко В.А., Поздняков Г.А., Позин Г.М., Посохин
В.Н., Штокман Е.А., Балтренас П.Б., Коузов П.А., Тищенко В.П., Сергина Н.М.,
Самсонов В.Т., Шаптала В.Г., Шаптала В.В., Красовицкий Ю.В., Исянов Л.М., Та-
рат Э.Я., Алиев Г.М., Ветошкин А.Г., Мазус М. Г., Мальгин А. Д., и многие другие.
Из зарубежных авторов, занимающихся вопросами охраны окружающей среды при
производстве силикатного цветного кирпича, следует отметить работы Hemeon
W.C.L., Kruse C.W. Bianconi W.O.A, Hate F., R.G.Boothroyd, Marcus Kirschen,
Herbert Pfeifer, M. D. Van Dyke, Amory L., T. Doninger, V. Knoth, Kersten Marx,
Tiago Seixas Bittencourt, Fernando Souza Cândido, Huang Jin, Lin Ling , Gao Xiang ,
Zhu Tingyu, Hong Zhou, Fu Ming Zhang, De Guo Zhang, Lin Yi Zhang.
Однако, вопросы загрязнения мелкодисперсной пылью рабочих зон произ-
водств силикатного цветного кирпича является недостаточно изученными.
Цель работы – снижение негативного воздействия пыли, образующейся в
воздушной среде рабочей зоны цехов предприятия по производству цветного сили-
катного кирпича на работающих и снижение вероятности возникновения пожаро-
опасной ситуации.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
– оценка технологического оборудования предприятий по производству си-
ликатного цветного кирпича, как источника поступления пыли в рабочую зону и
определение исходных данных для проектирования систем обеспыливания;
– экспериментальное исследование и обобщение данных о аэродинамиче-
ских характеристиках, дисперсном составе и основных физико-химических свой-
ствах пыли силикатного цветного кирпича;
– экспериментальная оценка пылевыделений и исследование закономерно-
стей распространения частиц пыли в рабочих зонах цехов завода по производству
силикатного цветного кирпича и разработать математическую модель распростра-
нения пыли в воздухе рабочей зоны цехов завода цветного силикатного кирпича;
– разработать математическую модель распространения пыли в воздухе ра-
бочей зоны цехов по производству цветного силикатного кирпича.
– теоретические и экспериментальные исследования по совершенствованию
системы обеспыливания цехов по производству силикатного цветного кирпича;
разработка устройства для отделения пыли при получении смесей из сыпучих ма-
териалов повышенной взрывоопасности.
Основная идея работы состоит в повышении эффективности улавливания
пыли, выбивающейся от технологического оборудования производства силикат-
ного цветного кирпича за счет разработки устройства для отделения пыли при по-
лучении смесей из сыпучих материалов, в том числе повышенной взрывоопасно-
сти.
Научная новизна работы состоит в том, что:
– экспериментально показано, что независимо от тонкости помола красящих
пигментов в производстве цветного силикатного кирпича их законы распределения
массы частиц пыли по их диаметрам в воздухе рабочей зоны и в отсосах системы
обеспыливания подчиняются не логарифмически-нормальному, а усеченному ло-
гарифмически-нормальному распределению;
– установлено, что при оценке пылевой обстановки в рабочих зонах цехов
смешения компонентов зависимость концентрации пыли от времени смены следует
рассматривать как случайную функцию, что позволило получить формулы для
определения среднего числа выходов концентрации за уровень ПДК и среднюю
длительность выхода;
– исходя из представления переноса пылевых частиц от источников пылевы-
деления в виде вероятностных процессов массопереноса показана возможность ис-
пользования решения уравнения Богуславского-Понтрягина для оценки запылен-
ности в рабочих зонах цехов смешения компонентов, позволяющее оценить веро-
ятность нахождения частицы пыли в данной точке.
Теоретическая и практическая значимость работы
– исследованы и систематизированы данные о дисперсном составе и физико-
химических свойствах пыли, поступающей в воздух рабочей зоны в процессе про-
изводства цветного кирпича в том числе данные об элементном составе, дисперс-
ном составе и аэродинамические характеристики (скорость транспортирования,
скорость витания, скорость трогания) частиц пыли красящих пигментов.
– исследована интегральная функция распределения массы частиц по их диа-
метрам пыли в воздухе рабочей зоны цехов по производству цветного силикатного
кирпича подчиненная усеченному логарифмически-нормальному закону и аппрок-
симированная трехзвенной ломаной, в том числе данные об элементном составе,
дисперсном составе и аэродинамические характеристики (скорость витания, ско-
рость трогания, скорость транспортирования) пыли красящих пигментов.
– разработана методика определения скорости трогания на основе замера ско-
рости трогания с использованием аэродинамической трубы и записи замедленного
видео с использованием портативного микроскопа 600-1000х мини с подсветкой и
ультрафиолетом для телефонов 7751W и программы видеомонтажа Adobe Premier
Pro;
– получены экспериментальные зависимости концентрации взвешенных ча-
стиц и плотности пылеоседания в зависимости от расстояний от источника пыле-
ния, высоте цеханеобходимые при проектировании системы обеспыливания;
– исследованы особенности пылевой обстановки при наличии в воздухе ра-
бочей зоны взрывоопасной пыли окрасочных пигментов;
– разработано устройство отделения пыли для систем обеспыливания узлов
смешения сыпучих материалов повышенной взрывоопасности и получены уравне-
ния регрессии, характеризующее эффективность работы этого устройства;
– разработаны рекомендации по повышению эффективности работы систем
обеспыливания оборудования цехов производства цветного силикатного кирпича;
– на основании теста Руфье-Диксона доказано влияние повышенной запы-
ленности в цехе смешения компонентов на снижение работоспособности операто-
ров;
Методология и методы исследования включали: аналитическое обобщение
известных научных и технических результатов, моделирование исследуемых про-
цессов, обработку экспериментальных данных методами математической стати-
стики и корреляционного анализа с использованием компьютерных программ, ла-
бораторные, натурные и опытно-промышленные исследования.
Положения выносимые на защиту:
– положение о том, что интегральная функция распределения массы частиц
пыли по их диаметрам в воздухе рабочих зон цехов по производству цветного си-
ликатного кирпича подчиняется усеченному логарифмически-нормальному закону
и ее можно аппроксимировать в вероятностно-логарифмической сетке трехзвенной
ломаной;
– положение о том, что концентрацию пыли в воздухе рабочих зон цехов по
производству ЦСК следует рассматривать как случайную функцию, для прогноза
превышения концентрации над ПДКрз можно использовать формулу Райса;
– положение о том, что разработанная на основе решения уравнения Богу-
славского -Понтрягина математическая модель адекватно описывает движение ча-
стиц пыли в воздухе рабочих зон цехов по производству цветного силикатного кир-
пича;
– положение о том, что полученные экспериментальные зависимости концен-
трации пыли в воздухе рабочей зоны и плотности пылеоседания от расстояния от
источника пыления, а также экспериментальная зависимость концентрации пыли
от высоты цеха с достаточной степенью достоверности могут быть использованы
при проектировании систем обеспыливающей вентиляции;
– положение о том, что снижение уровня работоспособности операторов при
повышении запыленности рабочей зоны можно оценивать по тесту Руфье-Диксона.
Степень достоверности и апробация результатов работы научных поло-
жений, выводов и рекомендаций обоснована применением классических положе-
ний механики газа и теоретического анализа, планированием необходимого объема
экспериментальных исследований, и подтверждена удовлетворяющей сходимо-
стью теоретических результатов с результатами полученных экспериментальных
исследований, выполненных в лабораторных и промышленных условиях, патент-
ной чистотой разработанного технического решения.
Основные положения и результаты работы прошли апробацию на: ежегод-
ных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава
ГОУ ВПО Волгоградского государственного архитектурно-строительного универ-
ситета (Волгоград, 2012-2015 гг.)., на IX Международной научной-практической
конференции. «Восточное партнерство – 2013», (Przemysl, 07-15 сентября, 2013);
VI Международной научной-практической конференции «Экологические про-
блемы природных и урабанизационных территорий» : (23-24 мая 2013г., Астра-
хань); XI Международной научной-практической конференции «Качество внутрен-
него воздуха и окружающей среды» (Ханой, 23 марта-5 апреля, 2013 г.); XI Меж-
дународной научной-практической конференции «Стратегические вопросы
мировой науки» (07-15 февраля 2015 г.); Международной конференции «Агробиз-
нес, экологический инжиниринг и биотехнологии» (Красноярск, 20-22 июня 2019
г.); Международной конференции «Наука о Земле и окружающей среде» (Красно-
ярск, 1 июня 2019 – 28 ноября 2019).
Реализация результатов работы:
– разработана и внедрена установка с устройством для отделения пыли при
получении смесей из сыпучих материалов повышенной взрывоопасности на базе
предприятия ЗАО «Завод силикатного кирпича» в г. Волгограде.
– с учетом разработанных рекомендаций проведена реконструкция системы
обеспыливания цеха смешения компонентов предприятия ЗАО «Завод силикатного
кирпича» в г. Волгограде.
– рекомендации по проектированию системы обеспыливания цеха смешения
компонентов внедрены в ПТБ ПСО «Волгоградгражданстрой» для разработки про-
ектной документации на предприятиях строительной отрасли;
– организацией ООО “Ассоциация Экотехмониторинг» материалы диссерта-
ционной работы рассмотрены на научно-техническом совете и приняты к исполь-
зованию для предприятий строительной отрасли Волгоградской области;
– результаты диссертационной работы используются в учебном процессе
ФГБОУ ВО Волгоградского государственного технического университета.
Публикации. Основные результаты исследований по теме диссертации из-
ложены в 16 работах, в том числе 3 статьи опубликованы в изданиях, входящих в
наукометрические базы цитирования Web of Science/ Scopus, 4 статьи – в ведущих
рецензируемых научных журналах и изданиях, 1 патент РФ на полезную модель и
8 статей по материалам научно-практических конференций и другие отраслевые
издания.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех раз-
делов, заключения, списка использованной литературы и приложений. Общий
объем работы – 182 страниц, в том числе: 151 страниц – основной текст, содержа-
щий 26 таблиц на 29 страницах, 78 рисунков на 50 страницах; список литературы
из 157 наименований на 19 страницах, 4 приложений на 12 страницах.