Введение к работе
Актуальность избранной темы. Вследствие интенсивного развития инфраструктуры во многих крупных городах промышленные предприятия, в том числе и металлургические, оказались в непосредственной близости от жилой застройки. При этом зачастую расстояние от жилых зданий до границы промплощадки предприятия составляет менее 100 м.
Предприятия металлургии, обеспечивая потребности в металлопродукции
других предприятий промышленного центра, его строительства и городского
хозяйства, с одной стороны, становятся частью последнего, но, с другой
стороны, являются источником угрозы экологической безопасности городской
территории. В этой связи одной из тенденций модернизации отрасли
правительством Российской Федерацией называется снижение негативного
воздействия на окружающую природную среду для обеспечения
благоприятных условий жизнедеятельности населения.
Анализ данных, приведенных в известных научно-технических источниках, показал, что при выплавке стали в дуговых электропечах (ДСП), доля производства металла в которых к 2030 г. должна возрасти на 42,1%, среди загрязняющих веществ, выбрасываемых в атмосферу города, превалирующим является пыль, удельные выделения которой в 3,5-4,5 раза превышают суммарные удельные газовыделения. Однако в настоящее время при оценке воздействия металлургического предприятия на качество городской воздушной среды, в первую очередь в пределах жилых зон, (например, при определении нормативов предельно допустимых выбросов или при проведении мониторинга состояния атмосферного воздуха) рассматривается общее пылевое загрязнение, хотя и с выделением компонентного состава, но без пофракционного разделения твердых частиц.Поскольку в России с 2010 г. ужесточены гигиенические нормативы по содержанию мелкодисперсных пылевых частиц в воздушной среде населенных мест, особую значимость имеют исследования,
направленные на изучение дисперсного состава пыли, содержащейся, как в выбросах в атмосферу от источников металлургического предприятия, так и в атмосферном воздухе на территории жилой застройки в районе его расположения. Также актуальными являются исследования по оценке фактического уровня загрязнения городской воздушной среды пылевыми частицами РМ10 и РМ2,5, обусловленного проведением технологических процессов при выплавке стали в ДСП.
С другой стороны, опыт эксплуатации систем пылегазоулавливания, показывает, что применяемые в этих системах устройства локализации пылевыделений не обеспечивают необходимой эффективности улавливания пыли, выделяющейся от дуговой электропечи. Вследствие этого неуловленная пыль распространяется в объеме цеха и через открытые проемы без очистки поступает в городскую воздушную среду как неорганизованный выброс. Поэтому исследования, направленные на изучение фракционного состава и закономерностей движения пылевых частиц, поступающих в помещения, а также на разработку решения по повышению эффективности локализации пылевыделений, тоже являются актуальными.
Работа выполнялась в соответствии с тематическими планами научно-исследовательских работ ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет».
Степень разработанности темы. Проблемами снижения негативного
воздействия металлургических предприятий на окружающую среду занимались
Г.М. Алиев, С. М. Андоньев, К.А. Блинов, О.М. Глита, А.М. Гусев, С.И.
Денисов, В.Т. Луценко, В.Д. Осипенко, А.П. Шицкова, О.В. Филипьев, М.Я.
Юдашкин и многие другие исследователи. В их работах приводятся данные о
дисперсном составе металлургической пыли, выделяющейся от дуговых
сталеплавильных печей, описываются технические решения по локализации и
очистке пылегазовых выделений в черной металлургии, однако не приводятся
сведения об изменении концентрации и пофракционного распределения
пылевых частиц в атмосферном воздухе, обусловленного выбросами предприятия, и об эффективности упомянутых выше решений.
В настоящей работе получены данные о дисперсном составе пыли: содержащейся в выбросах в атмосферу города от организованных источников действующего электросталеплавильного цеха; поступающей в помещения цеха неуловленной локализующими устройствами пыли, распространяющейся по цеху и поступающей затем без очистки в атмосферный воздух; содержащейся в воздушной среде жилой застройки в разные периоды года. В натурных условиях изучены особенности изменения общей концентрации твердых частиц и концентрации частиц РМ10 и РМ2,5 в атмосферном воздухе города. На основе математического моделирования исследованы закономерности распределения тепловых, воздушных и пылевых потоков в объеме электросталеплавильного цеха в период плавки стали в ДСП. Для снижения уровня пылевого загрязнения городской воздушной среды в районе расположения металлургического предприятия, в том числе мелкодисперсной пылью, предложена система практических рекомендаций, включая разработку и экспериментальную оценку эффективности устройства, предназначенного для локализации пылевыделений при работе дуговой электропечи.
Цель и задачи работы. Целью работы является повышение экологической безопасности городских территорий при размещении в их пределах металлургических предприятий посредством реализации системы мероприятий, разработанных на основе результатов проведенных исследований.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
- анализ технологических процессов выплавки стали в печах ДСП как
источника загрязнения городской воздушной среды пылевыми выбросами;
анализ существующих методов и средств локализации пылевыделений от электросталеплавильных печей;
проведение экспериментальных исследований по оценке влияния пылевых выбросов от источников электросталеплавильного цеха на качество воздуха нормируемых территорий, включающих: расчет выбросов загрязняющих
веществ в атмосферный воздух от основного оборудования
электросталеплавильного цеха; обследование систем локализации и удаления пылевых выбросов; расчетное и инструментальное определение концентрации пыли в воздухе жилой застройки в разные периоды года; анализ фракционного состава пыли, выделяющейся от печи ДСП в объем цеха, в атмосферный воздух города и содержащейся в воздушной среде жилой застройки; оценку уровня загрязнения городской воздушной среды частицами РМ10 и РМ2,5 при работе электросталеплавильного цеха;
- выбор исходных данных для построения численной трехмерной модели,
описывающей распределение воздушных и пылевых потоков в помещении цеха
и в неорганизованных источниках выбросов в атмосферу;
- проведение численного эксперимента по исследованию процессов
формирования температурных, скоростных полей и полей концентрации пыли в
объеме электросталеплавильного цеха;
- совершенствование конструкции вытяжного устройства для локализации пылевыделений от электросталеплавильной печи;
экспериментальные исследования по оценке эффективности вытяжного устройства предложенной конструкции;
разработка комплекса мероприятий по снижению пылевых выбросов в городскую воздушную среду от источников электросталеплавильного цеха.
Научная новизна:
на основе результатов натурных исследований получены зависимости, описывающие изменение концентрации пыли в воздушной среде жилой застройки при работе электросталеплавильного цеха в разные периоды года с учетом скорости ветра и расстояния до границы промплощадки;
получены данные о дисперсном составе пыли, содержащейся в воздухе жилой зоны в разные периоды года при работе электросталеплавильного цеха.
по результатам численного эксперимента определены закономерности формирования температурных, скоростных полей и полей концентрации в объеме цеха с электросталеплавильными печами;
- по результатам опытно-промышленных испытаний установлены
экспериментальные зависимости, характеризующие эффективность вытяжного
устройства предложенной конструкции с учетом конструктивных и режимных
параметров;
Теоретическая и практическая значимость работы:
- на основе математического моделирования изучены закономерности
движения воздушных и пылевых потоков в выбросах в атмосферу от цеха с
электросталеплавильными печами;
- приведены экспериментальные зависимости, характеризующие изменение
концентрации пыли в воздушной среде жилой застройки при работе
электросталеплавильного цеха в разные периоды года с учетом скорости ветра
и расстояния до границы промплощадки;
- раскрыто влияние пылевых выбросов от источников
электросталеплавильного цеха на фракционный состав, общую концентрацию и
концентрацию частиц РМ10 и РМ2,5 в атмосферном воздухе на территории
жилой зоны в разные периоды года;
- изложены экспериментальные зависимости, характеризующие
эффективность локализации пылевых выделений от печи ДСП при
использовании вытяжного устройства предложенной конструкции с учетом его
конструктивных и режимных параметров;
- разработана и прошла опытно-промышленные испытания конструкция
вытяжного устройства для локализации выделений загрязняющих веществ от
электросталеплавильной печи;
- разработан комплекс практических мероприятий для уменьшения
поступлений пыли от источников электросталеплавильного цеха в воздушную
среду жилой застройки с целью снижения уровня загрязнения атмосферного
воздуха мелкодисперсной пылью.
Методология и методы диссертационного исследования включали в себя: аналитическое обобщение известных научных и технических результатов; математическое моделирование; планирование физического эксперимента;
проведение натурных и опытно-промышленных исследований; обработку
экспериментальных данных методами математической статистики и
корреляционного анализа.
Положения, выносимые на защиту:
- результаты численного эксперимента по изучению закономерностей
формирования температурных, скоростных полей и полей концентрации в
объеме цеха с электросталеплавильными печами;
- полученные на основе результатов натурных исследований зависимости,
описывающие изменение концентрации пыли в воздушной среде жилой
застройки при работе электросталеплавильного цеха в разные периоды года с
учетом скорости ветра и расстояния до границы промплощадки;
- результаты натурной оценки фракционного состава, общей концентрации
пыли и концентрации частиц РМ10 и РМ2,5 в атмосферном воздухе города в
разные периоды года при работе электросталеплавильного цеха;
- установленные по результатам опытно-промышленных испытаний
экспериментальные зависимости, характеризующие эффективность вытяжного
устройства для локализации выделений загрязняющих веществ от
электросталеплавильной печи, разработанного с целью снижения поступлений
пыли в воздушную среду жилых зон города.
Степень достоверности и апробация результатов.Результаты получены с
использованием современного поверенного высокоточного оборудования и
программных средств, разработанных в ВолгГАСУ. Идея базируется на анализе
практики и обобщении опыта исследований в области оценки и обеспечения
качества атмосферного воздуха в населенных пунктах, а также в области
аэродинамики вентиляции и разработки технических решений по
совершенствованию систем локализации пылевыделений. Использовано
сравнение собственных данных и данных, полученных ранее в независимых
источниках по тематике исследований. Установлено качественное и
количественное совпадение полученных результатов с данными,
представленными в независимых источниках, по результатам исследований
пылевого загрязнения городской воздушной среды. Использованы современные методики обработки и сбора информации о фракционном составе пыли с помощью прикладной программы DUST 1, разработанной в ВолгГАСУ, а также о конструктивных и режимных характеристиках предложенного устройства для локализации пылевыделений.
Основные положения и результаты работы докладывались и получили
одобрение на: XI международной научной конференции «Качество
внутреннего воздуха и окружающей среды» (Вьетнам, г. Ханой, 2013 г.); международной научно-практической конференции «Наука сегодня. Ключевые проблемы и перспективы развития» (г. Санкт-Петербург, 2015 г.); ежегодных научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет» (г. Волгоград, 2013-2015 г.г.).
Основные результаты исследований по теме диссертации изложены в 8 работах, в том числе в 4 статьях, опубликованных в рецензируемых научных изданиях.