§ 5. Загрязнение атмосферы выбросами машиностроительных предприятий

Современное машиностроение развивается на базе крупных производственных объединений, включающих заготовительные и кузнечно-прессовые цехи, цехи термической и механической обработки металлов, цехи покрытий, а в ряде случаев и крупное литейное производство. В состав предприятий также входят испытательные станции, ТЭЦ и вспомогательные подразделения. В процессе производства машин и оборудования широко используются сварочные работы, механическая обработка металлов, переработка неметаллических материалов, лакокрасочные операции и т. п.

Литейные цехи состоят из электродуговых и индукционных печей, вагранок и др. Они являются наиболее крупными источниками пылегазовыделения на машиностроительных предприятиях. При производстве тонны чугунных отливок выделяется 150-330 кг СО, около 1,5 кг SO₂, 25-60 кг пыли, оксиды азота, фенол, аммиак и другие вредные вещества.

В табл. 2 приведен состав газов, выделяющихся при работе электродуговых печей.

Состав пыли зависит от сорта выплавляемой стали. Примерный химический состав пыли, %: Fe₂О₃ - 56,8; Мn₂O₃ - 10,0; А1₂О₃ - 5,0; SiO₂ - 6,9, СаО - 6,9; MgO - 5,8; остальное - хлориды, оксиды хрома и фосфора. Средний фракционный состав пыли:

При плавке стали в индукционных печах выделяется незначительное количество газов и более крупная пыль в количестве в 5-6 раз меньшем, чем при работе электродуговых печей. Наибольшее количество пыли и газов выделяется при плавке металла в вагранках. Удельные выделения загрязнений от вагранок в пересчете на 1 т плавки составляют: 15-20 кг пыли и 200 кг оксида углерода. Выбросы диоксида серы зависят от содержания серы в шихте и коксе и составляют 1,3-1,7 кг на 1 т плавки. Пыль вагранок содержит оксиды железа, кремния, кальция и др. Дисперсный состав пыли:

При литье под действием теплоты жидкого металла из формовочных смесей выделяются бензол, фенол, формальдегиды, метанол и другие токсичные вещества. Ниже приведены выделения в мг вредных веществ за 3 ч из формовочной смеси (200 г кварцевого песка и 4 г смолы):

Много вредных веществ (пыль, СО, SO₂, NO_х и др.) поступает в атмосферу от переработки шихтовых и формовочных материалов. Запыленность воздуха достигает 5-15 г/м³.

Термические цехи. Вентиляционный воздух, выбрасываемый из термических цехов, загрязнен парами масла, аммиаком, цианистым водородом и др. Источниками загрязнений окружающей среды в термических цехах являются нагревательные печи, работающие на жидком и газообразном топливе. Продукты сгорания топлива из печей обычно выбрасываются в атмосферу через трубы без специальной очистки. Концентрация пыли в воздухе, удаляемом из дробеструйных и дробе-метных камер, где металл очищается после термической обработки, достигает 2-7 г/м³.

Прокатные и кузнечно-прессовые цехи. В процессе обработки металла в этих цехах выделяется много пыли, туманов кислот и масел. В среднем общий выброс пыли из цеха составляет 200 г на 1 т товарного проката. Пыль образуется главным образом в результате измельчения окалины валками, при этом около 20% пыли имеют размер частиц менее 10 мкм. Если при прокатке применяется огневая зачистка поверхности заготовки, то выход пыли возрастает до 500-2000 г/т. При этом в процессе сгорания поверхностного слоя металла образуется большое количество (до 3-12 г/м³) мелкодисперсной пыли, состоящей на 75-90% из оксидов железа. Распределение пыли по фракциям:

Для удаления окалины с поверхности горячекатаной полосы применяют травление в серной или соляной кислоте. Суммарное количество воздуха, отсасываемого из агрегата непрерывного травления, составляет 14000-18000 м³/ч, при этом среднее содержание кислоты в удаляемом из агрегата воздухе достигает 2,5-2,7 г/м³. Если для очистки воздуха от кислот применяют высокоэффективные пенные аппараты (эффективность улавливания кислот 0,95-0,99), то и в этом случае содержание кислот в воздухе после очистки составляет 0,05 г/м3, что значительно превышает санитарные нормы.

Сварочные цехи. При проведении сварочных работ в атмосферу попадают токсичные газы и пыль. Ручная электродуговая сварка электродами с покрытиями и сварка в защитных газах плавящимся электродом сопровождается выделением мелкодисперсной пыли. Сварочная пыль на 99% состоит из частиц размером от 10^-3 до 1 мкм, около 1% пыли имеет размер частиц 1-5 мкм, а частиц размером более 5 мкм всего десятые доли процента. Химический состав выделяющихся при сварке загрязнений зависит в основном от состава сварочных материалов (проволоки, покрытий, флюсов) и в меньшей степени от химического состава свариваемых металлов. Валовые выделения вредных веществ [4] при сварке (на 1 кг расходуемых сварочных материалов) приведены в табл. 3.

Относительно небольшим пылевыделением характеризуется, процесс сварки под флюсом, поскольку флюс препятствует непосредственному контакту расплавленного металла с кислородом воздуха, тормозит процессы окисления и испарения. Однако процессу сварки под флюсом свойственно значительное выделение пыли при засыпке флюса в бункер и при сборе остатков флюса после сварки.

Газовая и плазменная резка металлов сопровождается выделением пыли и вредных газов. В табл. 4 приведены сведения о валовом выделении вредных веществ при резке металлов в пересчете на 1 м реза [4]. Пыль представляет собой конденсат оксидов металлов, размер частиц которого не превышает 2 мкм. Химический состав пыли определяется главным образом маркой разрезаемого материала. При резке обычно выделяются токсичные соединения хрома и никеля, марганец, вредные газы - СО, NО_х, а при плазменной резке образуется еще и озон.

Для приближенной оценки количества пыли, выделяющейся при резке, в работе [4] рекомендованы соотношения:

(δ - толщина разрезаемого листа металла, мм; Mn, Cr - процентное содержание марганца и хрома в стали)

Гальванические цехи. Изделия перед нанесением защитных покрытий подвергают травлению растворами серной, соляной, азотной и плавиковой кислот. Концентрация туманов кислот в вентиляционном воздухе ванн травления составляет 30-500 мг/м³. Операции воронения, фосфатирования и т. п. сопровождаются выделением в воздух помещения различных вредных веществ. Особой токсичностью отличаются растворы цианистых солей, хромовой и азотной кислот и др. Концентрации вредных веществ (НСl, H₂SO₄, HCN, Cr₂O₃, NO₂, NaOH и др.) в удаляемом от гальванических ванн воздухе колеблются иногда в довольно значительных пределах, что требует специальной очистки воздуха перед выбросом в атмосферу. Анализ дисперсного состава туманов показал, что размер частиц находится в пределах 5-6 мкм при травлении, 8-10 мкм при хщжи-ровании и 5-8 мкм при цианистом цинковании.

Цехи производства неметаллических материалов. В современном машиностроении широкое применение находят стеклопластики, которые содержат стеклово-локнистый наполнитель и связующие смолы (ненасыщенные полиэфирные, фенолформальдегидные, эпоксидные). Выделение вредных паров веществ [4] при формовании и полимеризации для различных смол (г/кг) приведено в табл. 5.

При производстве эбонитовых изделий в вентиляционную систему попадают SO₂, CO, H₂S, пары бензина, толуола, глицерина, пыль. Особенно много вредных выбросов происходит в процессе производства пластмасс, синтетических волокон и т. п.

Цехи механической обработки. Механическая обработка металлов на станках сопровождается выделением пыли, стружки, туманов масел и эмульсий, которые через вентиляционную систему выбрасываются из помещений. Ниже приведено количество (г) паров воды, тум,анов масел и эмульсии, выделяющихся в 1 ч при работе станков в расчете на 1 кВт мощности устанавливаемых на станках электродвигателей:

В процессах шлифования и полирования выделяется большое количество тонкодисперсной пыли. Пыль, образующаяся в процессе абразивной обработки, на 30-40% состоит из материала абразивного круга, на 60-70% - из материала обрабатываемого изделия. Количество выделяющейся пыли зависит от размеров и твердости обрабатываемого материала, диаметра и окружной скорости круга, а также способа подачи изделия. При зачистке и шлифовке изделий выделяется более 50 г/ч пыли с одного станка. При заточке инструмента пыль имеет следующий фракционный состав:

Вредные выбросы цехов механической обработки древесины состоят в основном из опилок, стружки и древесной пыли.

Лакокрасочные цехи. Вредные вещества выделяются как в период нанесения покрытий на изделия, так и при высыхании. При механизированных способах нанесения покрытий, например при использовании аппарата «Факел», в воздух помещения выделяются до 8-18% паров растворителя и 1-7% аэрозоля; при работе с аппаратом «Луч» - соответственно 7-60 паров растворителя и 3-12% аэрозоля. Потери на туманообразование при работе пневматических распылителей составляют 15-40%. Количество паров растворителя, выделяющихся при высыхании с 1 м² поверхности к моменту времени τ, можно найти [4] по формуле m_τ=m*(l-e^1-kτ), где m* - масса растворителя, выделяющаяся при полном высыхании покрытия, нанесенного на единицу поверхности, г/м²; k₁ - коэффициент, характеризующий интенсивность испарения растворителя при высыхании, мин^-1; τ - время высыхания, мин. Продолжительность высыхания лакокрасочных материалов при температуре 18-22° С обычно дается в ГОСТах на эти материалы. Значения коэффициента k₁ для условий испарения растворителя в неподвижном воздухе при температуре 20° С приведены в табл. 6.

Из производственных помещений пары растворителей, а в некоторых случаях и лакокрасочные туманы выбрасываются через высокие трубы без предварительной очистки.

Анализ состава загрязнений, выбрасываемых в атмосферу машиностроительным предприятием, показывает, что кроме основных примесей атмосферы (СО, SO₂, NO_x, C_nH_m, пыль) в выбросах содержатся токсичные соединения, которые почти всегда оказывают более значительное отрицательное воздействие на окружающую среду, чем выбросы установок, сжигающих минеральные топлива. Концентрация вредных веществ в вентиляционных выбросах, как правило, невелика, но объемы вентиляционного воздуха большие, поэтому валовые количества вредных веществ, поступающих в атмосферу, значительны. Выбросы производятся неполные сутки и с переменной интенсивностью, но ввиду небольшой высоты их выброса, рассредоточенности и, как правило, плохой очистки сильно загрязняют воздух на территории предприятий. Это обстоятельство имеет важное значение, поскольку ширина санитарно-защитных зон для машиностроительных заводов обычно не превышает 100 м даже при наличии в составе завода литейных цехов, а для машиностроительного завода, в состав которого входят только Цехи термо- и металлообработки, ширина зоны 50 м. При такой малой ширине санитарно-защитных зон возникают большие трудности в обеспечении чистоты воздуха в селитебных зонах.