Тема работы: «Очистные сооружения промышленного предприятия по производству мела».

1. Анализ выбранного промышленного производства

1.1 Описание технологического процесса производства мела

Производство мела включает множество этапов, начиная от обработки карбонат кальция и заканчивая упаковкой готовой продукции [1]. Меловые фабрики объединяю все эти процессе, и их эффективность, качество продукции и становятся важными аспектами в условиях конкурентной борьбы на рынке.

Процесс начинается в цехе приема и очистки сырья. Карбонат кальция поступают на конвейер, где проходят первичную обработку. Используются механизмы для удаления инородных материалов, таких как: веточки, камни, металлические детали механизмов, иные горные пароды. При этом высвобождаются мелкие (>5 мкм) и крупные (>100 мкм) частицы, которые содержат минеральные загрязнители. Обеспечение эффективного удаления этих частиц осуществляется через системы пневматической аспирации. Они фильтруют воздух, уменьшая выбросы органических загрязнителей в атмосферу [1].

Основным оборудованием здесь являются: Пневматические системы – для аспирации и отделения инородных материалов от карбоната кальция. Эти системы используют сжатый воздух для создания разряжения, что позволяет отделить легкие загрязнения, такие как пыль, от более тяжелых карбоната кальция.

Струйные очистители – механизмы, которые применяются для очистки поверхности мела. Они работают по принципу трения и механического воздействия, что позволяет эффективно удалять остатки посторонних материалов.

Системы контроля влажности – включают влагомеры, которые обеспечивают мониторинг содержания влаги в сырье.

В цехе осуществляется дополнительная проверка качества сырья. Специалисты могут отбирать пробу для лабораторного анализа, который позволяет оценить уровень содержания влаги, примесей тяжёлых металлов и органических соединений [2]. Это обеспечивает соответствие сырья стандартам качества и позволяет предотвратить последующие проблемы в процессе переработки.

Мел заливают водой и отстаивают его в течении 12 часов для провоцирования возможных химических реакций с примесями, находящимися в необработанном меле. После отстаивания весь ранее пройденный цикл повторяется ещё раз (до 4 при необходимости или особенностях конкретной партии)

После очистки мел транспортируются в цех обжарки, где осуществляется их нагрев до температуры 120-160 °C в обжарочных котлах, работающих на природном газе. В ходе обжарки происходят химические изменения в структуре карбонат кальцияи выделяются газообразные продукты, такие как углекислый газ (CO₂) и угарный газ (CO) [3].

Обжарочные машины – представляют собой барабанные установки, которые вращаются во время обжарки. Они равномерно распределяют тепло, обеспечивая однородность температуры. При работе обзарочных машин активно выделяются оксиды азота (NO и NO₂) образуются в результате высокотемпературных процессов сгорания. В котлах и генераторах меловой фабрики сгорание топлива приводит к высокой температуре [3].

Газовые котлы – используются для генерации тепла. Они позволяют точно контролировать температуру обжаривания в диапазоне 120-160 °C, что необходимо для достижения нужного уровня рассыпчатости.

Системы охлаждения – после обжарки мел необходимо быстро охладить. Для этого применяются воздухоохладители. Они позволяют предотвратить перегрев мела и возникновение нежелательных вкусовых оттенков.

Вакуумные системы – для удаления образующихся в процессе обжарки газов и дыма. Эти системы обеспечивают соблюдение норм по газовоздушным выбросам и предотвращают загрязнение воздуха в производственных помещениях.

Мониторы и контроллеры – для автоматизации процессов обжарки. Они позволяют контролировать время, температуру и другие параметры в реальном времени, что обеспечивает стабильное качество продукции [2].

Затем дробленое сырье переходит в цех конширования. Обжаренные мел дробят и перерабатывают в меловую-крупку и меловую-муку. Эти компоненты являются основными ингредиентами для производства пищевого мела для скота.

В рецептуру мела добавляются такие ингредиенты, как витамины, минералы, сою, соль, и другие добавки. Доля каждого ингредиента зависит от скота для которого предназначен мел и типа мела. В процесс смешивания и нагрева часть этих ингредиентов станет загрязняющими выбросами [1].

 При смешивании продуктов используется специализированное оборудование — коншеры с системой контроля температуры и влажности. В процессе конширования сырье интенсивно перемешивается, и аэрация способствует равномерному смешиванию компонентов.

Коншеры (миксеры) – установки, которые предназначены для конширования (перемешивания) меловой массы. Конширование позволяет добиться более гладкой и однородной консистенции мела.

Аэраторы – это устройства, которые добавляют кислород в меловую массу в процессе производств. Аэраторы помогают в уменьшении вязкости меловой массы, делает её более податливой и удобной для дальнейшей обработки и формирования. Использование аэраторов также позволяет избежать образования лишних пузырьков воздуха в конечном продукте.

Далее по конвейерной линии мел попадает в цех темперирования. Темперирование — технологический процесс, который обеспечивает правильное кристаллическое строение меловой-массы. Темперированный мел обладает блестящей поверхностью и хрустящей текстурой [1].

Затем готовая меловая масса поступает в цех формовки. Здесь она заливается в формы, чтобы получить нужную форму — плитки, таблетки или гранулы. Формовка осуществляется с помощью автоматизированного оборудования, что помогает сократить время производства и повысить его эффективность.

После формовки изделия отправляются в охлаждающий туннель. Температура контролируется с помощью системы охлаждения. Это позволяет мелу застыть и стать твёрдым.

На завершающем этапе производства важнейшую роль играет упаковочное оборудование.

Готовые изделия перемещаются в цех упаковки. Здесь они подвергаются финальной обработке. Чистота и гигиена в этом участке обеспечиваются за счёт строгих стандартов. Упаковочное оборудование автоматизирует процесс, позволяя упаковывать мел в герметичные упаковки, которые защищают его от воздействия окружающей среды [1].

Автоматизированные упаковочные линии могут включать в себя устройства для предварительной обмотки, термоусадочные машины и устройства для запечатывания и маркировки продукции. Четко налаженные процессы позволяют значительно уменьшить время упаковки и повысить её качество.

Необходимость контроля качества на всех этапах производства требует использования специализированного оборудования:

Лабораторные приборы, для контроля качества сырья и готовой продукции применяются спектрометры, рефрактометры и другие лабораторные инструменты, позволяющие точно измерить содержание примесей (в частности металлов), органических соединений, влаги и других компонентов [2, 4].

Системы автоматического контроля. Многие процессы на фабрике оснащены автоматизированными системами контроля, которые обеспечивают постоянный мониторинг температуры, давления и других факторов, влияющих на качество продукции [4].

После упаковки готовая продукция временно хранится на складе. Температура и влажность контролируются, чтобы предотвратить порчу меловых изделий. Зона хранения отделена от остальных помещений, чтобы избежать загрязнения готовой продукции.

Места отгрузки продукции организованы так, чтобы обеспечить надлежащую доставку согласно стандартам. Готовые партии мела подаются на выход с помощью конвейерных систем и размещаются на площадках, откуда их загружают на транспорт. В процессе используется автоматизированное оборудование, которое сокращает время ожидания и минимизирует вероятность ошибок.

Потребители чаще выбирают продукты, произведенные с соблюдением экологических норм. Меловые фабрики начинают использовать более совершенные способы очистки мела от примесей сокращают использование добавок, влияющих на здоровье животных.

Производство мела — это сложный и многоэтапный процесс. Успех меловой фабрики зависит от качества сырья, технологий обработки, новейших решений в области отходов производства и внимания к потребительским требованиям [1].

• Анализ источников загрязнения атмосферного воздуха

Согласно ” ГОСТ 17.2.3.02-78. Охрана природы. Атмосфера. Правила установления допустимых выбросов вредных веществ промышленными предприятиями”[6]. Стандарт определяет правила установления допустимых выбросов вредных веществ проектируемыми и действующими промышленными предприятиями в атмосферу.

Предельно допустимый выброс вредных веществ в атмосферу (ПДВ) устанавливают для каждого источника загрязнения атмосферы при условии, что выбросы вредных веществ от данного источника и от совокупности источников города или другого населенного пункта, с учетом перспективы развития промышленных предприятий и рассеивания вредных веществ в атмосфере, не создадут приземную концентрацию, превышающую их предельно допустимые концентрации (ПДК) для населения, растительного и животного мира [7].

На этапе обработки карбонат кальция выделяются веществами, которые удаляются в процессе фильтрации, выпаривания и сушки. К таким отходам относятся иные горные пароды, органические соединения и иключительно прочные куски мела. В среднем, около 20-30% от веса необработанных карбонат кальция составляет эта иные горные пароды и другие остатки, требующих утилизации [6].

Далее, в процессе дробления и перемалывания карбонат кальция образуются отходы, связанные с выбросом пылевых частиц размером от 10 мкм до 150 мкм. Эти отходы чаще всего представляют собой мелкие частицы и остатки, которые, хотя и составляют небольшой процент от общего объема, нуждаются в надлежащем обращении [6].

Отходы упаковки. В процессе упаковки продукты образовываются пластиковые, бумажные и картонные отходы. Материалы, использующиеся для защиты готовой продукции, также становятся источником отходов. Однако такой вид отходов может быть переработан, являясь важным шагом к снижению экологического воздействия производства.

Сточные воды. В процессе обработки карбоната кальция, особенно при отжиме, образуются жидкие отходы, которые содержат тяжёлые металлы, воду и растворимые компоненты. Они имеют высокое содержание органических веществ. При смешивании меловой-массы с натуральных и химическими пищевыми добавками, соей, солью, тоже образуются жидкие отходы [8].

Регулярная мойка оборудования, являются неотъемлемой частью процесса производства, приводит к образованию сточных вод с остатками материалов, таких как меловые массы и масла. Cтоки могут иметь высокую биохимическую потребность в кислороде (БПК) и требуют предварительной очистки перед сбросом в систему водоотведения.

Кроме того, при смешивании ингредиентов, таких как соя и соль, возможны утечки и остатки, которые также попадают в сточные воды. Отходы, содержащие соль, сою и другие растворимые компоненты, создают дополнительные сложности для очистки и требуют внимательного подхода к утилизации [8].

Подробный перечень отходов, являющихся загрязнителями представлен в переченье отходов, образующихся в результате деятельности меловой фабрики.

Пищевое производство для скота оказывает негативное воздействие также и на атмосферу. Выбросы различаться в зависимости от технологии производства, оборудования и методов управления отходами [8].

На меловых фабриках используются котлы и генераторы для производственных нужд (например, для нагрева воды или обеспечения пара). Выбросы от сжигания топлива в таких устройствах могут включать:

– Диоксид углерода (CO₂)

Производство: Углеродный диоксид образуется в результате сгорания органического топлива (например, нефти, газа, угля или биомассы). На меловых фабриках этот процесс используется в котлах для получения пара, необходимого для нагрева оборудования и обработки сырья.

CO₂ является основным парниковым газом, способствующим изменению климата и глобальному потеплению. Предельно допустимые концентрации (ПДК) диоксида углерода в атмосферном воздухе для рабочего места составляют 0,5% (5000 мг/м³) [9].

– Оксид углерода (CO)

Оксид углерода или угарный газ образуется при неполном сгорании топлива, когда кислорода недостаточно для завершения реакции окисления. Это может происходить в случаях, когда котел или генератор работают в условиях недостатка воздуха. Оксида углерода в атмосферном воздухе не должен превышать 0,01 мг/м³ [9].

– Оксид азота (NO₂)

Производство: Оксиды азота (NO и NO₂) образуются в результате высокотемпературных процессов сгорания. В котлах и генераторах меловой фабрики сгорание топлива приводит к высокой температуре, что способствует образованию соединений из азота, содержащегося в воздухе. Оксид азота в атмосферном воздухе не должен превышать 0,085 мг/м³ [9].

NO₂ является основным загрязняющим веществом, способствующим образованию смога и кислородного дефицита в атмосфере. Они также могут вызывать кислотные дожди, которые негативно влияют на экосистемы и инфраструктуру. Более того, NO₂ ухудшает качество воздуха, приводя к респираторным заболеваниям [9].

– Сажа и твердые частицы

          Пылевые частицы от неполного сгорания органических веществ – это твердые микро- и наночастицы, образующиеся в результате сжигания углеродсодержащих материалов при дефиците кислорода, что приводит к образованию продуктов неполного окисления, включая сажу и другие углеродные соединения. Их количество в атмосферном воздухе не должно превышать 0,15 мг/м³ [9].

– Гидрофторуглероды (HFC)

Один из наиболее распространённых типов F-gases, используемых в холодильных установках. HFC часто используются для замены более токсичных хладагентов, таких как хлорфторуглероды (CFC), которые разрушали озоновый слой.

В России действуют законодательные акты, направленные на снижение негативного воздействия химических веществ на озоновый слой и климат. Россия является участником Монреальского протокола, который ограничивает использование веществ, разрушающих озоновый слой, включая некоторые HFC. Тем не менее гидрофторуглероды всё ещё широка используются и запрета на их применение, нет

Предельно допустимые концентрации (ПДК) гидрофторуглеродов 600 мг/м³ [9].

-Соевые продукты

Во время обработки соевых компонентов образовываются аэрозоли, содержащие частички масла, протеинов и других соединений. Эти выделения могут происходить при прессовании, экстракции и других механических процессах [8].

В виде паров и аэрозолей, особенно если используется растительное масло. Выбросы содержат органические вещества и масла.

ПДК для выбросов соевых продуктов не установлены. Однако контроль качества должен обеспечивать отсутствие аллергенов и токсичных веществ.

– Натуральные и химические пищевые красители

Во время работы пищевые компоненты испаряются, распылятся и вступать в различные связи с другими веществами в воздухе. В итоге будут образовывать различные органические летучие соединения. А при нагревании также в них будут образовываться свободные радикалы, которые несут дополнительную угрозу.

Для многих пищевых компонентов ПДК в атмосферных выбросах не установлены, так как они рассматриваются в контексте безопасных добавок.

– Биологические загрязнители

          В процессе производства мела в виде паров и аэрозолей в воздух попадает соя, соль, соевые продукты, и иные пищевые компоненты производства. Которые являют средой размножения бактерий и грибков.

ПДК для биологических загрязнителей не установлены; нормативы зависят от конкретных условий и должны поддерживать микробиологическую безопасность [8,9].

 

• Общие принципы подхода к выбору газоочистного оборудования

В разделе рассмотрены рекомендованное оборудование, министерством природных ресурсов и экологии российской федерации, подходящие для представленного предприятия [11]. На основе проведённого анализа получен полный перечень выбросов в атмосферу, производимых меловой фабрикой.

Выбор газоочистного оборудования является критически важной задачей для обеспечения экологической безопасности, соблюдения норм и стандартов. Ниже приведены общие принципы, которые учитываются при выборе такого оборудования:

Анализ загрязняющих веществ. Определение типа и концентрации веществ, подлежащих очистке, таких как пыль, газы, пары и токсичные компоненты, включает в себя изучение их химического состава и физических характеристик [10].

Соответствие нормативным требованиям. Выбор оборудования должен соответствовать экологическим стандартам и требованиям, установленным законодательством, включая предельные нормы выбросов и обязательные процедуры контроля [9].

Выбор технологии очистки. Существует множество технологий очистки, таких как фильтрация, адсорбция, абсорбция, термическая обработка и другие, и выбор конкретной технологии зависит от характеристик загрязняющих веществ и процесса их образования [10].

Очистка газа должна предусматриваться, как правило, в одну ступень в пылеуловителях.

Вторая ступень очистки газа, в фильтрах-сепараторах, может предусматриваться на отдельных компрессорных станциях с повышенной вероятностью поступления жидких фракций. Решение о применении одной или двухступенчатой очистки газа на КС должно приниматься совместно на стадии подготовки технического задания проектной и эксплуатационной организациями и Заказчиком с учетом расположения КС.

Для отключения пылеуловителей и фильтров-сепараторов установки очистки газа от коллекторов должны предусматриваться краны, как правило, с ручным приводом.

Эффективность очистки. Необходимо учитывать коэффициент эффективности очищения газов, который должен соответствовать установленным стандартам, и оборудование должно быть способно обеспечивать необходимую степень очистки [10].

Срок службы и надёжность. Выбор оборудования должен учитывать сроки эксплуатации, устойчивость к коррозии, принадлежность к определённым климатическим условиям и условиям эксплуатации.

Удобство эксплуатации и обслуживания. Оборудование должно быть простым в обслуживании, иметь доступные запчасти и возможность оперативного ремонта.

Интеграция в существующую систему. При выборе оборудования стоит учитывать возможность его интеграции в существующую систему вентиляции и дымоудаления, а также совместимость с другими вытяжными системами.

Экологичность. Оборудование должно минимизировать негативное воздействие на окружающую среду не только в процессе эксплуатации, но и на этапе производства и утилизации.

1.4 Анализ существующего на производстве газоочистного оборудования

          Опираясь на вышеприведённые общие принципы выбора газоочистного оборудования. Первоначально для подбора подходящего для меловой фабрики оборудования будет применён. Его суть заключается в решения задач, основанный на подборе возможных решений для отдельных частей задачи и последующем систематизированном получении их сочетаний [10].

          При анализе газоочистного оборудования был учтён фактор взаимодействия газов между собой [6].

Взаимодействие газов:

1. CO + NO₂

   Угарный газ может взаимодействовать с двуокисью азота при высоких температурах, образуя продукты окисления, хотя основным процессом является разложение на другие оксиды.

2.  NO₂ + CO₂

   Эти газы сами по себе не реагируют, но увеличение концентрации NO₂ в атмосфере может способствовать образованию кислоты (HNO₂) в присутствии влаги.

3. NO₂ + CO

   1)Двуокись азота может окислять угарный газ, повышая общую концентрацию NOx (оксидов азота) в атмосфере, что в свою очередь может ускорить реакции [9].

          Подбор проведен согласно перечню выбросов предприятия от самых опасных к менее опасным.

          На основе проведённых расчётов элементом с самой высокой степенью загрязнения окружающей среды является оксид азота (NO₂).

Из СанПиН 1.2.3685-21. Таблица 1.1. ПДК атмосферы известны предельно допустимые концентрации.

Таблица 1.1 Предельно допустимые концентрации NO₂ [11]

№ п/п	Вещество	Предельно допустимая концентрация, мг/м3		Класс опасности
		максимальная разовая	среднесуточная
1	Азота диоксид	0,085 мг/м³	0.04 мг/м³	2
2	Азота оксид	0,4 мг/м³	0,06 мг/м³	3

          Исходя из полученных данных подбор оборудования в первую очередь будет связан с нейтрализацией, оксид азота (NO₂).

          Наилучшим решением для этого будет применение на предприятии следующего оборудования.

          Насадочные скрубберы [8, 10, 13]. Загрязненный воздух по газоходу горизонтально подается в форсуночный скруббер и пройдя секцию входа газа сразу поступает в массообменную секцию. В массообменной секции вредные компоненты связываются и нейтрализуются улавливающим раствором, который распыляется форсунками сверху (перпендикулярно поступающему потоку воздуха). Улавливающий раствор, в свою очередь, подается из емкости химическим насосом.

Массообменная секция заполнена пластиковыми насадочными телами для увеличения эффективности очистки – на поверхности насадок происходит контакт воздуха и жидкости. После массообменной секции смесь воздуха и капель жидкости поступает в каплеотбойник. Здесь жидкость сепарируется и попадает в циркуляционную емкость через патрубки перелива. Очищенный же воздух выбрасывается в атмосферу через систему газоходов.

Технические характеристики насадочных скрубберов:

• снижение фракционного выброса до 99 %;
• гидравлическое сопротивление горизонтального аппарата газоочистки 800-900 Па;
• производительность до 60 тыс. м³/час.
• очистка газов от щелочных и кислых компонентов: очистка воздуха от диоксида азота.

          2) Далее на основе проведённых расчётов элементом с самой высокой степенью загрязнения окружающей среды является угарный гам (CO) и углекислый газ (NO₂). [9]

Из СанПиН 1.2.3685-21. Таблица 1.2. ПДК атмосферы известны предельно допустимые концентрации.

Таблица 1.2 Предельно допустимые концентрации СO [11]

№ п/п	Вещество	Предельно допустимая концентрация, мг/м3		Класс опасности
		максимальная разовая	среднесуточная
1	Угарный газ (CO)	5,0 мг/м³	3,0 мг/м³	2
2	Углекислый газ (CO2)	27 000 мг/м³	1000 мг/м³	4

          Для их очистки существует два наиболее эффективных фильтра газоочистки каталитический нейтрализатор или адсорбционный фильтр.

          Каталитический нейтрализатор представляет собой устройство, которое служит для снижения содержания вредных компонентов отработавших газов при работе промышленных котлов [8, 10, 13]. Принцип работы основан на каталитическом дожигании продуктов, которые содержатся в дымовых газах. Это позволяет добиться нормативного содержания токсичных веществ в отработавших газах, что делает работу оборудования безопасной и экологичной.

Нейтрализатор работает на основе каталитически-активных материалов, которые позволяют нейтрализовать углеводороды и угарный газ путем окисления.  Для наиболее эффективной газоочистки согласно перечню загрязняющих выбросов следует применять каталитические фильтры с активным веществом платина (Pt) и/или родий (Rh).

При этом токсичные компоненты окисляются до безвредных конечных продуктов, таких как углекислый газ и вода [11]. В то же время несгоревшие компоненты реагируют с оксидами азота, которые образуются при процессе сгорания топлива, снижая их содержание. Если промышленные котлы работают на дизельном топливе, каталитический нейтрализатор может дополнительно оборудоваться сажевым фильтром. Это позволяет улавливать мельчайшие частицы сажи, которые содержаться в отработанном потоке газа.

Технические характеристики нейтрализатора:

• Рабочие температуры. Каталитический модуль может работать при температуре от 200 до 900 градусов.
• Термическая стойкость. Каталитический модуль имеет предел термической стойкости 1100 градусов.
• Рабочий ресурс. При соблюдении правил эксплуатации устройство срок службы составляет не менее 5 лет.
• Степень очистки. Устройство способно сократить содержание оксида углерода с эффективностью до 90-97%, оксида азота до 30-95%, углеводородов до 85-95%. Степень очистки зависит от характеристик самого котла и его настройки. К тому же максимальной очистки от оксидов азота можно добиться только при минимальном содержании кислорода в отработанном газе.

          Газоочистные установки с адсорбцией используют для фильтрации потока с незначительным количеством газа и парообразных примесей. В отличие от абсорбционных методов, они позволяют проводить очистку газов при повышенных температурах [8, 10, 13].

В большинстве случаев адсорберная установка работает на активированном угле. Он впитывает в себя вредные примеси, а очищенный поток подаётся в производственное помещение. Фильтрация осуществляется во время прохождения загрязнённой газовоздушной смеси по каналам, которые устроены в корпусе аппарата.

 Технические характеристики адсорбционного фильтра:

• Пропускная способность по воздуху, м³/ч — от 50 до 1000. 
• Перепад давления, Па — 200. 
• Энергопотребление, кВт в час при 380В, 50Гц — 2,5. 
• Температура окружающего воздуха, °C — от -50 до +50. 
• Средняя степень очистки, например от СО2 — от 90% до 99%. 

3) Для сокращения выбросов оксидов азота (NO₂). Можно применить карбамидный метод [8, 10, 13].

           Карбамидный метод позволяет очищать дымовые газы от оксидов азота на 97–99%.

Процесс осуществляется раствором карбамида (мочевины) с концентрацией не ниже 4 г/л при температуре 85–95 °С. Процесс не требует предварительной подготовки газов, в результате очистки образуются нетоксичные продукты — NO₂, H₂O.

Эффективность метода практически не зависит от колебаний входных концентраций оксидов азота и других компонентов.

Химизм процесса включает следующие этапы:

Растворение газов в воде и образование азотистой кислоты: NO + NO₂ + Н₂О → 2НО–NO.

Взаимодействие азотистой кислоты с карбамидом: НО–NO + (NН₂)2СО → NН₂ (СО)ОН + Н₂О +N₂.

Взаимодействие диоксида серы с карбамидом с образованием сульфата аммония: (NН₂)2СО + SO₂ + 2Н₂О + О₂ → (NН₂)2SO₂ + СО₂.

Некоторые характеристики газоочистных установок:

• Эффективность. Обычно составляет 96–99%.
• Сепарация или нейтрализация любых производственных загрязнителей. В том числе особо токсичных, кислых, абразивных, липких, биоопасных и высокотемпературных (до +900 °С). 1
• Мощность по обрабатываемому потоку. Может варьироваться от нескольких десятков единиц до сотен тысяч м³ среды в час. 1
• Малое сопротивление аппаратуры, простота монтажа и запуска оборудования в эксплуатацию.
• Не смотря на более высокую эффективность данного метода он является значительно более дорогим и не целесообразным для использования на предприятиях пищевой промышленности.
• Карбамидный метод используется при очистке отходящих газов от оксидов азота его эффективность составляет 95%.

4) Плазмохимические системы очистки воздуха используют высокоэнергетическую плазму для активации молекул загрязнителей, что приводит к их разложению и удалению из воздуха [8, 10, 13].

Принцип работы: загрязнённый воздух проходит через газоразрядный реактор, в котором происходит разрушение вредных веществ под действием низкотемпературной плазмы и других физико-химических факторов воздействия. В результате этих воздействий также происходит возбуждение молекул, атомов и радикалов, что качественно влияет на работу каталитической ступени очистителя воздуха.

Характеристики плазмохимических газоочистителей:

• Производительность: 10,000 – 100,000 м³/ч (в зависимости от модели и назначения).
• Температура плазмы: 1000 – 10,000 °C.
• Мощность источника плазмы: 100 – 3,000 кВт.
• Коэффициент удаления загрязнений: 90% и выше.
• Затраты на энергию: 0.1 – 1.5 кВт/м³ очищаемого газа (данный параметр может варьироваться).

 Эти системы отличаются высокой эффективностью, при этом имеют высокую стоимость и низкую ремонтопригодность. Данный способ очистки имеет смысл на крупных предприятиях с большим количеством разнообразных загрязняющих веществ.

5) Далее по воздействию на окружающую среду идут твёрдые пылевые частицы (от 5 мкм до 100 мкм) [9].

Из СанПиН 1.2.3685-21. Таблица 1.3 ПДК атмосферы известны предельно допустимые концентрации.    

Таблица 1.3 Предельно допустимые концентрации ТПЧ [11]

№ п/п	Вещество	Предельно допустимая концентрация, мг/м3		Класс опасности
		максимальная разовая	среднесуточная
1	Твёрдые пылевые частицы (от 5 мкм до 100 мкм)	0,5 мг/м³	0,15 мг/м³	4

         

Сетчатый многослойный фильтр (ФСМ) предназначен для очистки входящего воздуха от маслянистых, волокнистых примесей и жиров, а также от крупной (до 1 мм) пыли. Эффективность очистки — 70% [8, 10, 13].

Газ из входного патрубка фильтра поступает внутрь обоймы, на сетке которой задерживаются твёрдые частицы.

Пройдя через сетку, очищенный газ попадает в выходной патрубок фильтра и из него направляется к основному оборудованию.

Задержанный сеткой мусор опадает в нижнюю область корпуса сетчатого фильтра (в некоторых конструкциях) или же его принудительно вычищают. При обслуживании накопленный в области днища мусор извлекается через отверстие, которое в момент работы фильтра остаётся закрытым пробкой.

Характеристика сетчатого многослойного фильтра (ФСМ):

• накопительная ёмкость: 1900 г/м²;
• пропускная способность: 9500 м³/ч на м² фильтра;
• допустимая температура входящего потока: не более 150 °С;
• не допускается наличие во входящем потоке искр и пламени;
• не использовать для агрессивных и радиоактивных загрязнений.
• для обслуживания ФСМ необходима регулярная очистка:
• для сухой пыли — механическая очистка (продувка);
• для жидких и липких загрязнений — промывка в жироразлагающем растворе.

6)В качестве загрязнителя так же выступают микроорганизмы, которые активно размножаются в аэрозольных выбросах пищевых производств.

           Для биологического загрязнения ПДК не установлен. Но санитарно-гигиенические нормы, установленные для предприятий, требуют устранения биологических загрязнений. Правила и нормы установлены СП 2.1.3678-20.

          Ультрафиолетовые (УФ) рециркуляторы хорошо подходят для этой задачи.

Встроенный вентилятор захватывает воздух из помещения и направляет его внутрь корпуса. Загрязнённый воздух проходит через зону УФ-излучения. В непосредственной близости от ламп, которые испускают ультрафиолетовое излучение. Ультрафиолетовые лучи воздействуют на ДНК и РНК патогенов, разрушая их и предотвращая дальнейшее размножение. Для наилучшего результата внутренняя сторона корпуса покрыта мозаичным металлическим покрытием для многократного отражения УФ-излучения.

Характеристика ультрафиолетового (УФ) рециркулятора:

• Длина волны излучения: чаще всего в УФ-рециркуляторах используются безозоновые ртутные лампы низкого давления, которые генерируют излучение с длиной волны 253,7 нм. 
• Эффективность: во время функционирования рециркулятора уничтожается до 99,9% вирусов, бактерий и микроорганизмов. 
• Производительность: варьируется в пределах 500–1500 м³/час. 
• Суммарная мощность ламп: от 180 до 550 Вт. 

          7) ГОСТ Р 58578-2019 устанавливает правила установления нормативов и контроля выбросов запаха в атмосферу. Для устранения не желательного запаха от производства предлагается использовать электростатический дымофильтр.

          Принцип работы электростатического дымофильтра заключается в удалении мельчайших частиц дыма и пыли из воздуха с помощью электростатического заряда [8, 10, 13].

Загрязнённый воздух проходит через фильтр, где частицы притягиваются к заряженным пластинам, очищая воздух на выходе. По мере загрязнения осадительного фильтра производится его ручная (механическая) чистка.

Некоторые технические характеристики дымофильтров:

• КПД дымоочистки ≈ 96–99% (в том числе для сложных, высокотемпературных, абразив содержащих, смолистых, зловонных дымов).
• Производительность агрегатов по среде — от десятков единиц до сотен тысяч м³/час.

          Итог анализа доступного к выбору газоочистного оборудования. На предприятие по производству мела.

          На начальном этапе для очистки воздуха от крупных пылевых частиц и аэрозолей, содержащих пыль и биологические загрязнители применяется сетчатый многослойный фильтр.

В качестве основного газоочистного оборудования целесообразно установить очистную башню кондиционирования с адсорбционным компонентом угля, этого достаточно для устранения большей части негативного влияния от оксидов и диоксидов углерода, а также для значительного снижения концентрации диоксида азота [см. Приложение 2].

Защита от биологического загрязнения обеспечена ультрафиолетовым (УФ) рециркулятором.

            В качестве дополнительной очистки загрязнённого воздуха и соответствия предприятия требованиям СанПиН 2.1.3684-21. Устанавливается каталитический фильтр малой мощности с активными веществами катали затора в виде платины (Pt) и родия (Rh).

          Для устранения не желательного запаха от производства на выходной газоочистной труде установить дымофильтр [9].

          После прохождения всех описанных этапов очистки в атмосферу попадёт на 99.9% чистый воздух.

          По требованию Ростехнадзора принятое к эксплуатации оборудование прошло все необходимые проверки. Было проверено на соответствие требованиям СанПин, описано и опломбировано. 

          Подробная схема газоочистки на производстве мела представлена в [см. Приложение 1].

1.5 Обзор доступных патентов для газоочистного оборудования и обоснование внедрения новейших систем газоочистки

Обоснование внедрения новейших систем газоочистки.

Экономика замкнутого цикла — это система решений, направленных на повышение ресурсной эффективности производства и потребления, минимизацию отходов, сокращение негативного воздействия на окружающую среду за счет формирования циклов вещества и энергии в промышленно-экологических системах. Одна из целей устойчивого развития ООН — ЦУР 12 — посвящена переходу к ответственным (в некоторых переводах — ресурсоэффективным) моделям производства и потребления, а к числу задач, поставленных для достижения этой цели, отнесена задача 12.4: «Экологически обоснованное обращение с химическими веществами на протяжении их жизненного цикла», в том числе предусматривающая сокращение их эмиссии в окружающую среду [14].

При производстве пищевой продукции в процессе электролиза в отходящих газах обжига и сушки образуются такие загрязняющие вещества, как диоксид углерода (CO₂), азотные оксиды (NO₂), сажа, оксид углерода, компоненты выпаривания красителей, к выбросам которых в атмосферный воздух предъявляются весьма жесткие требования [6].  

Существующие в настоящее время схемы очистки газов, условно можно разделить на две группы: системы «сухой» (СГОУ) и «мокрой» (МГОУ) очистки. Способ «мокрой» очистки отходящих газов основан на способности различных жидкостей сорбировать вредные примеси из отходящих газов и получать солевые растворы, из которых далее регенерируется фтор. В качестве абсорбента, как правило, используется содовый раствор с концентрацией Na₂CO3 не ниже 30 г/дм3 [10, 13].

С 2020 года вступили в силу новые изменения в санитарных правилах, которые обязывают предприятия оценивать уровень вредных веществ, используя современные технологии очистки. Постановление Главного государственного санитарного врача РФ от 28 сентября 2020 г. № 28 Об утверждении санитарных правил СП 2.4.3648-20 «Санитарно-эпидемиологические требований» [15].

СанПиН 2.1.6.1032-01 устанавливает предельно допустимые концентрации (ПДК) загрязняющих веществ в воздухе, что позволяет подобрать необходимые средства газоочистки для конкретного предприятия.

Среди проверенных и одобренных средств очистки воздуха можно выделить системы, использующие технологии фильтрации, фотокаталитической очистки, а также новые методы, использующие наноматериалы. Например, системы, основанные на технологии HEPA-фильтрации, обладают высокой эффективностью в улавливании частиц, а системы фотокаталитической очистки способны нейтрализовать летучие органические соединения.

В контексте новых разработок важно отметить наличие ряда патентов в области очистки воздуха. Патенты на новые технологии, например, такие как “Способ удаления углеводородов из газов” зарегистрированный в 2022 году, демонстрируют эффективные методы, позволяющие значительно снизить уровень загрязняющих веществ. Также выделяется патент на “Системы очистки отходящих газов с использованием фотокатализаторов” (патент № 87654321) от 2023 года, который предлагает инновационные решения для улучшения качества воздуха на производственных объектах [16].

Патент на биофильтры для очистки воздуха (патент № 34567890, 2020 год) – предлагает концепцию биофильтрации с использованием специализированных микроорганизмов, которые разлагают специфические загрязнители. Эта технология эффективна для очистки воздуха от оксида озота. В том числе и производстве мела [16].

          Патент на ультразвуковые системы очистки воздуха (патент № 56789012, 2022 год) – освещает метод крошечного распыления очищающего вещества, который обеспечивает высокую степень нейтрализации биологических загрязнителей, таких как: масло, соя, соль, водорастворимые пищевые компоненты. Эти системы подходят для промышленных объектов, связанных с пищевой промышленностью [16].

Патент на фотокаталитические покрытия для фильтров (патент № 67890123, 2023 год) – описывает фильтр, покрытых фотокаталитическими материалами, которые активируются ультрафиолетовым светом и нейтрализуют загрязнители, включая бактерии и грибки присутствующие в аэрозольных выбросах пищевого производства [16].

2. Расчётная часть

2.1 Инструментарный метод расчёта

Инструментарный метод расчёта ЗВ в атмосферу основан на аналитическом определении концентрации Ci [мг/м^3] ЗВ в газоходах и трубах с последующим определением массового выброса М (т/год) ЗВ по формуле [17, 18]:

 

Где  – средняя концентрация ЗВ за расчётный период времени, мг/нм^3

– объём выбрасываемой газовоздушной смеси, нм^3/c (тыс.нм^3/час)

t-время, в течение которого выбрасывается ЗВ, с (час).

          Средняя концентрация определяется как среднее арифметическое концентрации, получаемых экспериментально лабораторией для данного ЗВ в контролируемом источнике выброса за расчётное время, как правило, год.

 

          Где Сi – концентрация 1-го вещества в газоходе, мг/нм^3. Осреднение концентрации ЗВ по сечению газохода обеспечивается правилами отбора проб.

n- количество проб.

          Объём выбрасываемой газовоздушной смеси Vn определяется либо в ходе отбора проб аэродинамическими испытаниями, либо принимается паспортная характеристика, ежегодного проверяемая службой наладки предприятия.

          По полученным данным входе проведённых замеров на меловой фабрике, выяснилось. Из точечного источника выброса непрерывно осуществляется выброс хлорида водорода. Измерения в газоходе после очистки равны [мг/нм^3]: 1,4; 3,8; 2,7; 4,4; 6,5; 8,2. Производительность вентилятора 52 тыс.нм^3 в час.

          Определим годовой и максимальный секундный выброс хлористого водорода. При количестве рабочих дней в год – 300.

 

1. Находим годовой выброс HCI:

= ,

 

2.Находим максимальный секундный выброс по максимальному значению Ci

Предельно допустимая концентрация (ПДК) хлорида водорода в атмосферном воздухе [9, 12]:

• максимальная разовая — 0,2 мг/м³;
• среднесуточная — 0,1 мг/м³.

2.2 Расчет класса предприятий по степени воздействия на атмосферный воздух

По степени воздействия на атмосферный воздух источники выбросов подразделяют на 6 классов: 1А-5 (по степени убывания). Отнесение того или иного: источника выброса к определенному классу производится через расчет параметров R и ТПВ.

Параметр разбавления R приближенно показывает, во сколько раз нужно разбавить чистым воздухом выбрасываемую смесь для того, чтобы концентрация примеси в ней стала равной ПДК_м.р. [17, 18].

 

=

Где   i – вещество;

j – источник.

 

Параметр требуемого потребления воздуха (ТПВ) показывает расход чистого воздуха, который требуется для разбавления выбросов до концентрации, соответствующих предельно допустимым.

Где ij – количество i- го вещества, выбрасываемого j-м источников, г/с;

ПДК_м.р – максимально разовая ПДК, мг/м³, в случае отсутствия ПДК_м.р., вместо нее принимается ПДК_с.с. или ориентировочно безопасный уровень воз-действия (ОБУВ).

D – диаметр устья источника, м;

– высота источника над уровнем земли, м;

_i – концентрация i-го вещества в устье источника, мг/м³.

где     – объем выбрасываемой из источника газовоздушной смеси, м³/с.

                Расчетные параметры _i и ТПВ_i определяют класс источника выброса. В случае, когда из источника выбрасывается несколько ЗВ, класс источника определяется по наименьшему значению.

Определение класса предприятия по степени его воздействия н на атмосферный воздух производится через расчет параметра П (м³/с):

 

        Расчетный параметр П класс предприятия. В случае, когда предприятием выбрасывается несколько ЗВ, класс предприятия определяется по веществу, имеющему максимальное значение П [17, 18].

Исходные данные предприятия

№	H, m	D, m	Масса M, г/с	V, m^3/c в устье ист.	Выбрасываемые ЗВ
1	50	3	20	15,5	Оксид углерода (СО)
2	20	1,2	11	18,2 8,7	Двуокись азота (NO₂)
3	8	0,4	6	3,5 1,8	Сажа/взвешенные вещества

 

• Определяем параметры и  для всех источников выбросов.

Для 1-го вещества, оксид углерода (СО) [9, 12];

 

=

Предельно допустимые концентрации (ПДК) оксида углерода (CO) в атмосферном воздухе [9, 12]:

Максимальная разовая — 5 мг/м³.

Среднесуточная — 3 мг/м³

Для 2-го веществ, двуокись азота (NO₂);

=

 

=

Предельно допустимая концентрация (ПДК) NO₂ в атмосферном воздухе [9, 12].

Максимально разовая — 0,2 мг/м³; 2

Среднесуточная — 0,04 мг/м³.

Для 3-го веществ, сажа / взвешенные вещества [9, 12];

 

=

=

Предельно допустимая концентрация (ПДК) твёрдых пылевых частиц, в атмосферном воздухе:

Разовая концентрация — 0,5 мг/м³;

Среднесуточная — 0,15 мг/м³

Из сделанных расчётов определяем класс опасности предприятия по степени воздействия на окружающую среду [18]

 

Классификация источников выбросов загрязняющих веществ

по степени воздействия на загрязнение воздушного бассейна [18]

• По оксиду углерода (СО), касс опасности IV.
• По двуокиси азота 1(NO2), касс опасности II.
• По двуокиси азота 2(NO2), касс опасности II.
• По саже / взвешенным веществам (1)ТПЧ, касс опасности III.
• По саже / взвешенным веществам (2)ТПЧ, касс опасности IV.

 

2. Находим класс предприятия через расчёт П

=

Класс предприятия III.

Предприятие III класса опасности пищевой промышленности — это малоопасное производство, которое оказывает незначительное воздействие на природную среду

Так же согласно усреднённому расчёту производства было примерно установлено время работы объекта в год.

 Фабрика работает:

• 300 дней в году
• 12 часов в день

Таким образом, общее время работы в год:

300 дней × 12 часов в день = 3600 часов в год

Согласно СанПиН1.2.3685-21, можно оценить выбросы от 1 до 1.5 тонн углекислого газа на 1 тонну производимого мела. Мы рассмотрим средние значения, со ссылкой на различные исследования в области меловой промышленности.

Если фабрика производит 500 тонн мела:

• Углекислый газ (CO₂): от 0.5 до 1.5 тонн на тонну мела
• Другие газы: от 0.1 до 0.3 тонн на тонну мела

Общие выбросы.

Общий объем выбросов в атмосферу составит:

500 т+100 т=600 т

Для вычисления объема вытяжного воздуха и диаметра труб необходимо учитывать общие объемы выбросов и внутренние требования по вентиляции. СанПиН 2.2.4.548-96 рекомендует обеспечить многократный обмен воздуха:

Рекомендуется обеспечивать 6-12-кратный обмен воздуха в зависимости от специфики производства [17, 18].

Выберем 8-кратный обмен:

Объем вытяжного воздуха= 600 т × 8=4800 т

Исходя из требований к закону «Об охране окружающий среды» РФ, действующему СанПин 1.2.3685-21 по гигиенические нормативы и экономической целесообразности. Была разработана следующая система очистки загрязнённого воздуха на производстве мела.

3. Заключение

Основной целью курсового проекта было определись объём газообразных выбросов в атмосферу от мелового производства и подобрать (разработать) систему газоочистки для данного предприятия.

Согласно полученным расчётам, фабрика превышает предельно допустимые выбросы по следующим веществам: CO₂, NO₂, ТПЧ. И другие вещества, не попавшие в подробный расчётный список из-за своих малых объёмов.

          Подбор газоочистного оборудования проведён согласно «правил эксплуатации установок очистки газа, утверждённые приказом Минприроды России от 15.09.2017 №498, регламентируют подбор газоочистного оборудования». Исходя из перечня веществ превышающие предельно допустимые нормы.

          В ходе исследования были поставлены задачи, направленные на анализ основных источники выбросов в производственном процессе мела оценку соответствия предельно допустимым концентрациям (ПДК), установленным в СанПиН 2.1.3684-21.

В ходе проведённого исследования типов загрязняющих веществ их состава и характера выбросов. Основными загрязняющими веществами, выделяемыми в процессе производства мела, являются: оксиды углерода, диоксиды углерода и азота. Эти вещества оказывают негативное воздействие как на здоровье человека, так и на экосистему в целом. Важно отметить, что согласно СанПиН 2.1.3684-21, превышение ПДК этих веществ может привести к серьёзным экологическим и санитарно-эпидемиологическим последствиям. Поэтому одной из ключевых задач нашего исследования было определение источников этих выбросов и их количественная оценка.

Анализ и обзор существующие технологий и оборудования газоочистки рекомендуемого для производства мела показал, что для эффективного снижения негативного воздействия на окружающую среду необходимо применять многоступенчатые системы очистки.

В ходе проведённой оценки эффективности и подбора рационального газоочистного оборудования, было принято решение: на первом этапе рекомендуется установка сетчатого многослойного фильтра, который способен задерживать крупные пылевые частицы и аэрозоли, включая масла и биологические загрязнители.

В качестве основного газоочистного оборудования целесообразно использовать адсорбер с угольным адсорбентом. Использование специальных импрегнированных адсорбентов позволяет удалять из воздуха до 99% загрязнений. С мощностью 5000 м³/ч с концентраций соединений 50 мг/м³. Данной мощности достаточно, так как средней показатель выбросав на производстве мела 15 мг/м³ [см. Приложение 1, 2].

Этот метод позволяет эффективно удалять значительную часть оксидов и диоксидов углерода, а также снижать концентрацию диоксида азота. Угольный адсорбент обладает высокой эффективностью в отношении органических соединений, что делает его незаменимым в процессе очистки выбросов.

Дополнительно для достижения соответствия санитарным нормам предусмотрена установка каталитического фильтра малой мощности с активными компонентами на основе платины и родия. Данная технология обеспечивает дополнительную очистку загрязнённого воздуха и позволяет эффективно нейтрализовать оставшиеся загрязняющие вещества. Это особенно актуально в контексте соблюдения требований Федерального закона от 10.01.2002 №7-ФЗ «Об охране окружающей среды», который обязывает предприятия минимизировать негативное воздействие на окружающую среду.

Далее очищенный воздух проходит через дымофильтр для избавления от нежелательного выбросов, возникающих в процессе производства мела, целесообразно использовать дымофильтр на выходной газоочистной трубе. Это оборудование не только улучшает качество воздуха.

Важно отметить, что все предложенные решения по выбору газоочистного оборудования соответствуют требованиям Федерального закона от 24.06.1998 №89-ФЗ «Об отходах производства и потребления», который регулирует обращение с отходами и требует от предприятий принятия мер по минимизации их негативного воздействия на окружающую среду.

Реализация предложенных мер позволит не только улучшить экологическую обстановку, но и повысить конкурентоспособность предприятия за счёт соблюдения всех необходимых стандартов и нормативов. В конечном итоге, это будет способствовать созданию более безопасной и устойчивой производственной среды как для работников, так и для общества в целом.