Теоретические предпосылки

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В ЭКОЛОГИИ

Лабораторная работа № 1

Тема: «Автоматизированные расчеты выбросов загрязняющих веществ в атмосферу при производстве сварочных работ»

 

Цель работы: освоить интерфейс и навыки работы с программным продуктом «Сварка-2005 (версия 2)».

Материалы и оборудование:

 

1) теоретические предпосылки, изложенные ниже;

2) характеристики источников эмиссии сварочного аэрозоля в атмосферный воздух (исходные данные для расчетов – индивидуальные задания студентам);

3) нормативный документ «Показатели эмиссии (удельные выбросы) загрязняющих веществ от процессов электро-, газосварки, наплавки, электро-, газорезки и напыления металлов. Министерство охраны здоровья Украины. Академия медицинских наук. Институт гигиены и медицинской экологии им. О.М. Марзеева. Киев, 2003 г.» [1];

4) персональный компьютер;

5) инсталляционный пакет программы «Сварка-2005 (версия 2)».

Теоретические предпосылки

 

Определения

Показатель эмиссии (удельный выброс) – величина, которая устанавливает зависимость между количеством загрязняющего вещества (или смесью веществ), которая выбрасывается в атмосферный воздух, и деятельностью, связанной с этим выбросом.

Сварочный аэрозоль – пылегазовая смесь, которая состоит из взвешенных мелкодисперсных твердых частиц оксидов металлов и газообразных веществ – преимущественно оксидов азота, оксида углерода или фтористого водорода – в разных качественных и количественных соотношениях.

 

Обозначения и сокращения

ГССА – газовая составная сварочного аэрозоля.

ТССА – твердая составная сварочного аэрозоля.

 

Основные положения

 

Процессы электро-, газосварки, наплавки, электро-, газорезки и напыления металлов относятся к наиболее распространенным технологическим процессам, которые используются в народном хозяйстве. Аппараты и установки, применяемые для ведения этих процессов, являются важными источниками выбросов в атмосферу сварочных аэрозолей - многокомпонентных смесей химических веществ. Смеси представлены веществами, относящимися к твердой (ТССА) и газовой (ГССА) составляющим сварочного аэрозоля, в составе которого в зависимости от вида сварки, марок электродов и флюса находятся вредные для здоровья оксиды металлов (железа, марганца, хрома, ванадия, вольфрама, алюминий, титана, цинка, меди, никеля и др.), газообразные (фтористые соединения, оксиды углерода, азота, озон).

Количество образующихся при сварке пыли и газов принято характеризовать валовыми выделениями, отнесенными к 1 кг расходуемых материалов. Количество таких выделений получены экспериментально для наиболее распространенных сварочных материалов.

Образующийся при сварке и резке аэрозоль характеризуется очень мелкой дисперсностью - более 90% частиц (по массе), скорость витания частиц меньше 0,1 м/с. По мере удаления от источника выделения, как по горизонтали, так и по вертикали концентрация вредных веществ в воздухе резко уменьшается и на расстоянии соответственно 2-4 м приближается к общему фону загрязнения воздуха в помещении.

В основу определения объемов выбросов загрязняющих веществ, входящих в состав аэрозоля, образовавшихся при конкретных технологических условиях, положены значения удельных выбросов этих веществ и длительность процесса.

Технологические процессы электро-, газосварки, наплавки, электро-, газорезки и напыления металлов и их сплавов относятся, главным образом, к вспомогательным производствам на предприятиях и других объектах различных отраслей промышленности.

На территории Украины широко применяется ручная дуговая электросварка и наплавка стали штучными электродами свыше 90 марок, ручная дуговая электросварка и наплавка чугуна, ручная и полуавтоматическая электросварка цветных металлов и их сплавов (алюминия, меди, титана и др.) в среде азота, аргона и гелия, полуавтоматическая сварка стали в среде углекислого газа, автоматическая и полуавтоматическая сварка и наплавка металлов под флюсами свыше 28 марок, ручная электродуговая наплавка и напыление литых твердых сплавов, ручная газовая наплавка, ручная аргонодуговая наплавка вольфрамовым электродом медно-никелевых сплавов, оловянистых бронз, полуавтоматическая наплавка плавленым электродом в среде аргона оловянистых бронз, плазменная сварка металлов.

Не менее широкое применение имеют процессы резки стали и сплавов, электродуговая резка алюминиевых сплавов, воздушно-дуговая строжка металлов и их сплавов, контактная, стыковая и линейная электросварка стыковыми машинами, машинами точечной электросварки, контактная рельефная сварка, сварка трением, газовая сварка ацетиленокислородным пламенем, пропанобутановой смесью, радиочастотная сварка, плазменное напыление и др. Каждый из упомянутых технологических процессов осуществляется с помощью соответствующих аппаратов, машин и установок, с соблюдением технологических режимов и условий, предусмотренных технической документацией на них, использованием соответствующих материалов (электродов, сварочного провода, наплавочных материалов, флюсов и др.). Соответственно этим условиям определяется конкретный качественный и количественный состав сварочного аэрозоля. Источниками выбросов загрязняющих веществ в атмосферу являются отдельные посты сварки или резки, аппараты и установки для полуавтоматической электросварки, машины точечной электросварки, стыковые машины и другие устройства.

Ход работы:

1. В соответствии с индивидуальным заданием рассчитывается количество выбрасываемых вредных веществ (т/год, г/сек) от определенного вида газосварочных работ, осуществляемых при определённом технологическом процессе. Эта часть задания выполняется путем ручного счета (с использованием электронного калькулятора).

2. На собственный персональный компьютер инсталлируется бесплатный программный продукт «Сварка-2005 (версия 2)».

3. В базу данных вышеупомянутой программы поочерёдно вносятся исходные данные из индивидуального задания и выполняются расчеты количества выбрасываемых веществ автоматизированным способом.

4. Формируется выходной файл с результатами расчетов (режим «Экспорт в открытый шаблон » программы «Сварка-2005 (версия 2)»).

5. Производится сравнение результатов ручного и компьютерного счета. Устраняются ошибки ручного счета, оценивается качество интерфейса программного продукта и делается заключение о функциональных характеристиках программы «Сварка-2005 (версия 2)».

 

Методика расчета

 

Определение количества выбросов загрязняющих веществ в атмосферу, имеющих место при производстве сварочных работ, производится по методике “Показатели эмиссии (удельные выбросы) загрязняющих веществ от процессов электро-, газосварки, наплавки, электро-, газорезки и напыления металлов” [1].

Расчеты количества выбрасываемых вредных веществ (т/год, г/сек) основываются на использовании усреднённых удельных выбросов (т.е. показателей эмиссии) с единицы массы израсходованных сварочных или наплавочных материалов.

В случае выполнения ручной дуговой сварки штучными электродами или наплавки черных или цветных металлов расчеты величин выбросов ведутся по формулам (1) и (2):

 

, (1)

 

где – годовая масса валового выброса i -того вредного вещества, образующаяся при расходовании j -того вида сварочного или наплавочного материала (т.е. j -той марки электродов или др.), т/год;

- удельный выброс i -того вредного вещества (в граммах) с единицы массы (1 кг) j -того вида сварочного (или наплавочного) материала, г/кг; (принимается согласно данным табл. V-1 Приложения 2 нормативного документа [1]);

– общий годовой расход j -того вида сварочного (или наплавочного) материала, кг/год;

– множитель для перевода единиц массы из грамм в тонны;

 

 

(2)

 

где – секундная масса выброса i -того вредного вещества, образующаяся при расходовании j -того вида сварочного или наплавочного материала, г/сек;

- суммарное годовое время выполнения сварочных работ с использованием j -того вида сварочного (или наплавочного) материала, час/год;

– множитель для перевода единиц времени из часов в секунды;

 

Следует заметить, что показатель (г/сек) используется в расчетах концентраций примесей с использованием методики [2], а также вводится в базы данных соответствующих расчетных программ («ЭОЛ», «ОНД-86» и др.) с целью дальнейшего оценивания загрязнения воздуха на границе нормативной санитарно-защитной зоны (НСЗЗ) предприятия.

 

При электродуговой, газовой и плазменной резке расчеты количества выбрасываемых вредных веществ (т/год, г/сек) основываются на использовании удельных выбросов (показателей эмиссии) с погонного метра разрезаемого материала определенной толщины.

В этом случае валовый выброс загрязняющего вещества определяется как:

 

, (3)

 

где – годовая масса валового выброса i -того вредного вещества, полученная при резке металла k -той толщины, т/год;

- удельный выброс i -того вредного вещества (в граммах) с 1-го погонного метра материала (стали, сплавов титана и пр.) k -той толщины, г/погонный м резки; (принимается согласно данным табл. V-2 Приложения Б нормативного документа [1]);

– суммарный годовой расход разрезаемого материала k -той толщины, погонных м/год;

– множитель для перевода единиц массы из грамм в тонны;

 

Секундная масса выбросов вредных веществ при газовой резке рассчитывается аналогично, как и в предыдущем случае (формула (2)).

 

Кроме перечисленных выше видов электро- и газосварочных работ на производстве имеют место и другие разные процессы сварки и напыления металлов и сплавов (контактная электросварка стали, стыковая и линейная, газовая сварка ацетиленокислородным пламенем, плазменное электродуговое напыление сплавов и др.). В соответствии с методикой расчёта [1] в зависимости от вида сварочных работ и технологических процессов, предусмотрены различные типы показателей эмиссии. Информация о различных типах показателей эмиссии и расчетные формулы для определения количества выбросов загрязняющих веществ приведены в таблице 1.1.

 

Таблица 1.1 – Информация о различных типах показателей эмиссии и формулы для определения количества выбросов загрязняющих веществ

№	Вид работ	Техпроцесс	Единица измерения показателя эмиссии, a	Единица измерения величины b	Единица измерения времени работ, t	Формулы для определения количества выбросов загрязняющих веществ
г/с	т/год
	Сварка и наплавка металлов	Все техпроцессы	г/кг расходуемых сварочных или наплавочных материалов	кг сварочных и наплавочных материалов/год	час/год
	Резка металлов и сплавов	Все техпроцессы кроме воздушно-дуговой строжки	г/погонный метр резки	погонный метр резки/год	час/год
Воздушно-дуговая строжка	г/кг угольных электродов	кг угольных электродов/год	час/год
	Разные процессы сварки и напыления металлов и сплавов	Контактная электросварка стали и машины точечной электросварки	мг/с на 100 кВт номинальной мощности	кВт суммарной номинальной мощности одновременно работающих станков	час/год
Контактная рельефная сварка	мг/с на 50 кВт номинальной мощности	кВт суммарной номинальной мощности одновременно работающих станков	час/год
Сварка трением	мг/см2 площади стыка	см2/год	час/год
Газовая сварка ацетиленовым пламенем	г/кг ацетилена	кг ацетилена/год	час/год
Газовая сварка пропанобутановой смесью	г/кг смеси	кг смеси/год	час/год
Радиочастотная сварка алюминия агрегатом типа 16-76	мг/сна один агрегат	количество одновременно используемых агрегатов, шт.	час/год
Плазменное электродуговое напыление сплавов	г/кг сплава	кг сплава/год	час/год
Электродуговое напыление	г/кг сплава	кг сплава/год	час/год