Загрязнения предприятиями окружающей среды промышленными выбросами является одной из актуальных проблем в настоящее время. Рациональное использование природных ресурсов и применение безотходных технологии в производстве поспособствует защите окружающей среды.
В статье рассмотрены основные задачи промышленной экологии. Важнейшая задача – разработка безотходных технологий производства стекла. Проанализированы основные источники выбросов, а также причины их образования при производстве оптических изделий. Рассмотрено влияние вредных веществ (ВВ) на организм человека. Так при производстве стёкол наличие пыли, образующейся на различных циклах производства, оказывает существенное воздействие на организм сотрудников в целом. В настоящее время учитываются всевозможные источники выбросов и для каждого установлены нормы предельно допустимых концентраций веществ, основанные на расчёте рассеяния загрязняющих веществ. В статье рассмотрены результаты расчёта рассеивания при помощи программного комплекса "Призма", на примере Лыткаринского завода оптического стекла. Сегодня при решении задач процесса и организации производство оптического стекла необходимо рассматривать производство как единую замкнутую систему тесно взаимодействующей с природой. А анализ таких систем проводить с использованием системного подхода, рассматривающий производство, как ряд взаимодействующих подсистем.
Ключевые слова: оптическое производство, стекло, экология.
FRESHEST HARMFUL EFFECT ON THE HUMAN BODY IN THE PRODUCTION OF OPTICAL PARTS
Lotov A. I., student of Bauman Moscow state technical University
Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.
Eremenko L. N., candidate of technical Sciences, associate Professor of Bauman Moscow state technical University, of Department of Laser and optoelectronic systems
Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.
Pollution of the environment by industrial emissions by enterprises is one of the most urgent problems at the present time. Rational use of natural resources and the use of waste-free technologies in production will contribute to the protection of the environment. The article deals with the main tasks of industrial ecology. The most important task is the development of waste-free glass production technologies. The main sources of emissions, as well as the reasons for their formation in the production of optical products, are analyzed. The influence of harmful substances on the human body is considered. Thus, in the production of glass, the presence of dust generated during various production cycles has a significant impact on the body of employees as a whole. Currently, all possible sources of emissions are taken into account and maximum permissible concentrations of substances are set for each of them, based on the calculation of the dispersion of pollutants. The article discusses the results of calculating the scattering using the "prism" software package, using the example of the lytkarinsky optical glass factory. Today, when solving the problems of the process and organization of optical glass production, it is necessary to consider production as a single closed system that closely interacts with nature. And the analysis of such systems is carried out using a systematic approach that considers production as a number of interacting subsystems.
Keywords: optical production, glass, ecology.
Введение
Одной из актуальных проблем в настоящее время является проблема загрязнения предприятиями окружающей среды продуктами жизнедеятельности человека, промышленными отходами [8] (Chekhov, 1990), [9] (Shepilova, 1992). Применение безотходных технологий, очистных сооружений, а также рациональное использование природных ресурсов поспособствует защите окружающей среды.
На предприятиях, специализирующихся на производстве оптических стёкол, задействованы разнообразные источники выбросов, такие как котельные, печи, литейно-механические цеха, которые в процессе работы выбрасывают в атмосферу загрязняющие вещества (ЗВ). В зависимости от производительности стекловаренных печей объемы выбросов печи могут различаться. В 2000 годах стекловаренная печь была способна производить до ста тонн в сутки. Сегодня же данные показатели для печи выше и составляют производительность порядка 300 тонн ежесуточно. Рост производительности печи не всегда может быть связан с применением новых технологий [3] (Kachalov, 1959).
Необходимо понимать, что предприятия, способные выпускать до двухсот тонн стекла ежесуточно, выбрасывают в атмосферу ежегодно около пяти тонн ЗВ, среди которых около 80 процентов составляют газообразные загрязнения. Как правило, на производстве основными ЗВ являются: оксиды и сульфаты металлов натрия и алюминия, оксиды серы и азота, а также частицы пыли. Поэтому так необходимо вести контроль ЗВ.
Не менее важной проблемой является токсичность стекол, которая характеризуется степенью воздействия на человека. Сегодня на предприятиях внедряют процессы, использующие меньшие температуры, а значит и сокращающие тепловыделения.
При производстве стёкол необходимо учитывать концентрации пыли. Пыль, образующаяся на различных этапах производства, может достигать одного грамма на кубический метр.
Сегодня для каждого источника загрязнений установлены нормы предельно допустимых концентраций веществ (ПДВ), основанных на расчёте рассеяния загрязняющих веществ.
На сегодняшний день можно выделить следующие задачи экологии, которые необходимо учитывать при разработке и создании планов производства стёкол:
1.Создание и использование безотходных технологий в производстве, которые позволяют минимизировать выбросы и отходы производства стекол [12] (1986).
2. Вести разработку надежных мер контроля состояния атмосферы.
3. Вести разработки принципиального нового оборудования, которое позволяет рационально использовать сырьевые ресурсы. Например, по приготовлению стекольной шихты.
4. Вести разработку устройств, которые способны контролировать уровень ВР в атмосфере, а также вести разработки устройств, способных защитить воздушную среду (специальные фильтры).
5.Создание технологий, позволяющих утилизировать или перерабатывать отходы стекольного производства.
6.Провести модернизацию техпроцессов согласно условиям промышленной экологии.
Цель исследования: анализ промышленной экологии при производстве оптических деталей.
Задачи исследования: провести анализ вредных веществ, способных оказать влияние на организм человека при производстве оптических деталей; провести оценку сложившейся ситуации на предприятиях стекольной промышленности на примере АО “ЛЗОС”; предложить пути решения экологических проблем на предприятиях.
Авторская гипотеза: влияние ВВ на организм человек при производстве оптических деталей можно уменьшить при использовании современных процессов подготовки сырья, а также при использовании новых методов, которые позволяют получить стекло без стадии варки.
Научная новизна исследования заключается в анализе нынешней экологической ситуации на предприятиях стекольной промышленности.
Методология исследования. В процессе исследования использовались механизмы и инструменты оценки вредных веществ на предприятиях, методологии обнаружения вредных веществ в атмосфере.
Особенности оптического стекла
Стекло является аморфным изотропным материалом, которое получается путём переохлаждения бескислородных соединений и неметаллических оксидов [1] (Guloyan, 2003). Оптические стёкла применяются во многих сферах деятельности, например в искусстве, в очковой оптике, в строительстве, в сложных измерительных приборах, а также в устройствах, испытывающих значительные температурные нагрузки в авиации и в космосе.
Существует множество различных типов стёкол, среди которых выделяют: цветные стекла, бесцветные, стекла изготовленные из кварца, кристаллы, а также стёкла обладающие особыми свойствами, к ним можно отнести ситаллы, отличающиеся низким значением коэффициента линейного расширения.
Оптические стёкла обладают рядом важных свойств [2] (Guloyan, 2008). Одним из ключевых является высокая однородность, которая характеризуется максимальной разницей значений показателей преломления для различных частей детали. Однородность достигается при помощи различных режимов термической обработки, включающей длительную завершающую стадию тонкий отжиг. Благодаря отжигу достигается структурное однородное состояние по всей массе. Таким образом, стекло приобретает постоянные параметры, такие как показатель преломления, число Аббе, которые характеризуют различные марки стёкол.
Другим важнейшей особенностью стекол является высокая прозрачность в различных диапазонах излучения, которая характеризуется способностью стёкол пропускать лучи света.
Не менее важны и тепловые свойства, поскольку при производстве стёкол широко используются процессы, как с поглощением, так и с выделением тепла. К ним можно отнести удельную теплопроводность - способность материала проводить тепло. Повысить теплопроводность стёкол возможно при повышение температуры. Для оценки теплового расширения стекол применяют коэффициенты объемного и линейного расширений, которые зависят от состава шихты.
Другим тепловым свойством для стёкол является способность выдерживать значительные температурные перепады, характеризующееся разностью максимального и минимального значений температур которое способно выдержать стекло. Данное свойство зависит от многих показателей, среди которых выделяют: параметры заготовки, свойства материала, изучают на сколько интенсивен теплообмен.
Говоря о химических свойствах, необходимо выделить способность стекол сопротивляться воздействию различным элементам, например, кислотным водным растворам, влажной атмосфере. Химические свойства необходимо учитывать при изготовлении стекол. Так, например, жидкая суспензия, использующаяся на станках с автоматической подачей, при полировке оптических деталей может испортить полированные поверхности заготовки. При травлении химические свойства материала могут повлиять на качество штрихов и изображения в целом, а также оказать влияние на образование покрытий различных толщины.
Производство стекла
Процесс производства стекла состоит из нескольких этапов. На первом этапе необходимо подготовить сырьевые материалы путем смешивания их с однородной смесью шихты [4] (Manevich, 2008). На следующем этапе осуществляется процесс варки с последующим формированием и отжигом полученной стекломассы. Иногда существует необходимость дополнительной обработки отформованных изделий химическим, механическим и термическим способом. Технология производства стекла имеет характерную особенность, которая заключается в общности способов подготовки материалов, составления шихты и варки стекла. Данный факт дает возможность изучить закономерности поступления вредных веществ в окружающую среду.
Огромное количество вредных выбросов и отходов образуется при изготовлении стекла. По физико-математическому состоянию выбросы можно разделить на следующие типы:
4. Сточные воды. К ним относятся воды из цехов подготовки сырья, промывающие воды, а также воды, образующиеся при получении стекловолокна.
Существует ряд причин, связанных с возникновением выбросов и отходов на различных этапах процесса производства стекла. Данные причины можно записать в следующем виде:
Отходы также подразделяют по составу и свойству на схожие к целевому продукту (стекломасса, стеклянная крошка и пыль, к начальному сырьевому материалу (порошковая шихта), к сырьевому материалу других производств [7] (Hramkov, 1987).
Однако следует отметить, что с помощью некоторых отходов можно получить так называемые вторичные сырьевые ресурсы, например, стеклобой. В некоторых производственных процессах количество стеклобоя от начальной стекломассы достигает 50%. В качестве примера таких источников сырья можно привести дымовые газы стекловаренных печей, чья теплота используется как источник тепловой энергии.
Необходимо выделить токсичность отходов, выбрасываемых при производстве стекла, а именно определить уровень влияния на человека и окружающую среду. По данной классификации можно разделить отходы на безвредные, токсичные и особо токсичные выбросы.
Для большинства стекол используют шихты, основным компонентом которых является кварцевый песок, диоксид кремния, составляющий 50-75% от веса готового стекла [5] (Pankova, 1997). Также компонентами шихты являются сульфаты, карбонаты и оксиды тяжелых металлов.
На этапе разгрузки и транспортировки составляющих шихт происходит процесс пылеобразования. Состав пыли отличается на каждом этапе производства. Стоит отметить что, если неправильно организовать конструкцию воздухообмена, то при малейшем попадании в атмосферу пыли, она сможет мгновенно разлететься по всему цеху.
В воздухе помещений для подготовки сырья и приготовления шихты содержание пыли может превысить сотни миллиграмм на кубический метр.
Для каждого источника устанавливаются свои предельные значения разрешенного количества выбросов с учетом их сложения из других источников, которые оказывают отрицательное воздействие на окружающую среду.
Частицы пыли до 50 мкм в процессе производства стекла могут сохраняться в воздухе долгое время. Для частиц пыли характерны два типа действия: фиброгенное и общетоксичное.
Основой кварцевого песка является диоксид кремния, средний размер частиц которого составляет 0,1 до 1 мм. Частицы размером около одного микрона оказывают значительное воздействие на организм человека. Долговременное присутствие таких частиц может вызвать у человека такую болезнь, как фиброз, который впоследствии, вызывает заболевание всего организма – силикоз.
Ещё одним важным компонентом при производстве оптических изделий является оксид мышьяка, который может использоваться в качестве осветлителя. Данный оксид является сильным ядом, оказывающий разрушительное влияние на человека, а именно поражает вегетативную нервную систему, нарушает обмен веществ, вызывает паралич кровеносной системы. Оксид мышьяка способен копиться в организме, что нарушает питание тканей и приводит к злокачественным болезням. Доза порядка 0,01-0,052 грамма может привести к серьезным проблемам со здоровьем.
Получение стекла, возможно, исключительно путем нагревания через сжигание углеводородного сырья или через подведение электроэнергии. Однако, при сжигании топлива образуются вредные элементы, которые имеют пагубное влияние на биологическую среду.
Процессы преобразования шихты в стекло, которые приводят к вредному воздействию на биосферу, разделяют на следующие типы:
- процесс помещения шихты в печь для стекловарения, в которой топочными газами удаляется часть шихты;
- выброс реакционных газов, испарений расплавных продуктов и ликвидация мелких капель, которые появляются при процессе плавления шахты и стекломассы;
- появление вредных веществ после сгорания топлива;
- тепловое загрязнение газами окружающей среды по трубопроводам и стенкам основных оборудований.
Процесс образования стекла происходит при повышенных температурах, что способствует летучести многих элементов шихты [10] (Shultz, 1986). Наибольшей летучестью обладают такие вещества, как оксид свинца, бора, соединения мышьяка. Удаление данных веществ, как правило, будет повышаться при повышении температуры варки стекла. Влияние также будет иметь и состав шихты. Выбросы фтористых соединений, калия, цинка, мышьяка и свинца также имеет пагубное влияние на окружающую среду.
Материалы, которые содержат оксиды свинца, используют, когда при варке оптические стекла или хрусталя, однако пыль от оксида свинца крайне токсична и имеет кумулятивное свойство накопления в организме человека. Свинец негативно влияет на нервную систему, сердечно-сосудистую систему и на желудок.
В производстве хрусталя и свинцовых стекол суммарные потери соединений свинца можно отнести к некоторым процессам, а именно:
- производство шихты в цехе;
- перевозка и помещение в печь;
- потеря рабочей зоны свинца через проемы при загрузке, смотровые окна и другие проемы;
- прилипание на стенах печи после стекловарения, а также осадки частиц пыли на дымоотводах и трубах;
- выброс в окружающую среду;
- после химической или механической обработки готового изделия может произойти выщелачивание;
- отбраковки.
Следует отметить, что вышеназванные потери имеют значительное влияние на поступающие в воздух сформированные потоки свинцовых соединений от неорганизованных источников (промышленные площадки, производственные постройки) и от организованных источников (через трубы цехов).
АО “Лыткарино”
Одним из крупнейших ведущих российских предприятий по производству стекол является АО “Лыткаринский завод оптического задод”(ЛЗОС), которое входит в холдинг АО “Швабе”. Предприятие занимается производством волоконной оптики, оптических материалов, также занимается изготовлением крупногабаритной оптики для систем контроля космического пространства и астрономических зеркал. Около девяносто пяти процентов оптических материалов производится именно здесь, которые так необходимы научно-исследовательским институтам и конструкторским бюро нашей страны, для создания современных оптико-электронных систем и приборов для различных областей деятельности. Высокоточная оптика необходима для медицинских оптических приборов, для танковых прицелов, вертолетных комплексов и многих других сфер. Лыткаринский завод занимает лидирующие позиции по производству оптических материалов в стране и мире.
На Лыткаринском предприятии установлена санитарно-защитная зона (СЗЗ), которая устанавливается для всех направлений вокруг предприятия. Её размер составляет 200 м. СЗЗ - территория, на которой устанавливается специальный режим. Такая зона необходима для предприятий, которые осуществляют выбросы ЗВ и воздействуют на здоровье и состояние людей. Размер СЗЗ обеспечивает снижение воздействия ЗВ на атмосферу.
На территории предприятия расположены множество цехов и участков, которые являются источниками загрязнений атмосферы: котельная, механический участок, сварочных цех, стекловаренных цех с печами и прессами, участки, занимающиеся литьём, участки, занимающиеся оптико-механическим производством и многие другие.
На ЛЗОС регулярно ведется экологический контроль состояния атмосферы, ведется учёт выбросов ЗВ, контролируются сточные воды. Предприятие осуществляет вывоз отходов в специализированные места по утилизации выбросов и на полигоны.
Для контроля ЗВ и состояния атмосферного воздуха на предприятии расположены специальные устройства марок ЛИОТ, ЦН-11,15, со специальным выводом в атмосферу для газов прошедших очистку. Во многих местах на территории ЛЗОС расположены фильтры для очистки вод, пылеочистные установки, которые необходимы для сбора, как частиц пыли, так и сбора деревянной и металлической стружки путём всасывания ЗВ в специальный контейнер.
На территории Лыткаринскоого расположено триста шестнадцать источников ЗВ атмосферы, среди которых восемь неорганизованных и триста восемь организованных источников. В воздух попадает около 100 ЗВ от различных источников. Для каждого загрязняющего вещества рассчитаны предельно допустимые нормы.
Определение ПДН основывается на рассеяния загрязняющих веществ с учетом метеорологических условий местности, таких как розы ветров и направление ветра. НПП “Логус” для расчёта рассеивания разработан програмный комплекс “Призма”, который активно применяется в настоящее время. Так при помощи данного комплекса на территории ЛЗОС в 2017 был проведён расчёт рассеивания. Для расчёта были взяты две точки, одна из которых располагалась около границы СЗЗ, другая на территории ближайшего жилого дома.
Согласно результатам исследования, проводимым с учётом фоновых загрязнений, было установлено, что все ЗВ, находившиеся в атмосфере, не превышали предельно допустимые концентрации ЗВ и находились в границах ПДК, как в первой точке, расположенной около границы СЗЗ, так и во второй точке около жилого дома.
По результатам расчёта были рассчитаны концентрации ЗВ на границе санитарно-защитной зоны, учитывающие влияние фонового загрязнения, а также рассчитаны концентрации групп веществ, которые обладают свойством сложения воздействия. Рассчитанные нормы, принимают как ПДН ЗВ. Результаты расчёта представлены в таблице 1.
Таблица 1 – ПДК загрязняющих веществ
| Загрязняющее вещество | ПДК (тон в год ) |
| Оксид железа | 0,4356 |
| Дихлорид олова | 0,1165 |
| Азотная кислота | 0,1081 |
| Оксид бария | 0,0957 |
| Гидрооксид натрия | 0,0842 |
| Карбонат бария | 0,0386 |
| Оксид алюминия | 0,0312 |
| Оксид цинка | 0,0085 |
| Фенол | 0,0065 |
| Мышьяк | 0,0033 |
| Оксид меди | 0,0008 |
Источник: составлено по данным проекта ПДВ загрязняющих веществ [11]
Уровень ЗВ попадающих в атмосферу в течение года составляет 502,7 тонны в год, среди них около 483,7 тонны в год составляют газообразные и жидкие загрязняющие вещества и около 19 тонн в год твердых ЗВ.
В настоящее время на Лыткаринском оптическом заводе разработан план контроля соблюдения норм ПДВ, который действует до 2022 года.
Заключение
Производство оптических деталей имеет ряд особенностей: работа в производственных цехах, следовательно, работа в условиях повышенных температур, повышенный уровень промышленной пыли и ЗВ в атмосферной среде, наличие шума на производстве. Для решения экологических проблем на производстве необходимо применять следующие меры:
1. Повышая качество шихты, а также улучшая процесс подготовки сырья, возможно понизить уровень пыли и летучность летучесть компонентов.
2. Для снижения выбросов газобразных веществ в атосферу и уменьшения расхода топлива необходимо понизить рабочие температуры.
3. Необходимо вести разработки новых экологически чистых видов источников топлива, которые позволят сократить выбросы вредных веществ.
4. Разработка методов, которые позволяют изготовить стёкла без процесса варки.
Сегодня при решении задач процесса и организации производства оптического стекла необходимо рассматривать производство как единую замкнутую систему, тесно взаимодействующей с природой. А анализ таких систем проводить с использованием системного подхода, рассматривающий производство как ряд взаимодействующих подсистем.
Лотов А.И., студентМГТУ им. Н. Э. Баумана
Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.
Еременко Л.Н., канд. техн. наук, доцент кафедры "Лазерные и оптико-электронные системы" МГТУ им. Н.Э. Баумана
Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.
ИСТОЧНИКИ:
REFERENCES:
1. Guloyan, Y. A. Technology of glass and glass products / Y. A. Guloyan. - Vladimir: Transit-X, 2003.
2. Guloyan, Yu. a. Physical and chemical bases of glass technology / Yu. a. Guloyan. - Vladimir: Transit-X, 2008.
3. Kachalov N. Glass. Publishing house of the USSR Academy of Sciences. Moscow. 1959.
4. Manevich, V. E. Raw materials, furnace charge and the melting / V. E. Manevich, K. Yu. Subbotin, V. V. efremenkov. — M.: RIF "building Materials", 2008.
5. Pankova, N. A. the Glass batch and the practice of cooking / N. A. Pankov, N. Y. Mikhailenko. — M. : rkhtu im. D. I. Mendeleyev, 1997.
6. Glass Technology. Reference / ed. by P. D. Sarkisov, V. E. Manevich, V. F. Solinov, Y. K. Subbotin. — M. : rkhtu im. D. I. Mendeleev, 2012.
7. Hramkov, V. P. materials for the production and processing of glass and glass products / VP Hramkov, E. A. Chugunov. — M. : Higher. wk., 1987.
8. Chekhov, O. S. environmental Issues in glass manufacturing / O. S. Chekhov, V. I. Nazarov, V. G. Kalygin. — M. : Legprombytizdat, 1990.
9. Shepilova, M. V. Protection of ambient air in glass industry / M. V. Shipilova, I. T. Timofeev. — M.: Legprombytizdat, 1992.
10. Shultz M. M. On the nature of glass / / Nature No. 9. 1986.
11. Draft maximum permissible emissions of polluting substances in atmospheric air of JSC "Lytkarino optical glass factory”. Conclusion number 50.07.03.000. T. 000051. 07. 17 dated 13.07.2017.
12. Ways to improve environmental protection in the lead-zinc sub-sector. Collection of scientific papers: Ust-Kamenogorsk, 1986. - P. 39.
