Разработка проекта вентиляционной системы цеха покраски автомобилей ЗАО «Ангар 17»

1. Литературный обзор

1. Основные проблемы  охраны атмосферного воздуха.

Охрана атмосферного воздуха — ключевая проблема оздоровления окружающей природной среды. Атмосферный воздух занимает особое положение среди других компонентов биосферы.

В современный период атмосфера Земли претерпевает множественные изменения коренного характера: модифицируются ее свойства и газовый состав, возрастает опасность разрушения ионосферы и стратосферного озона; повышается ее запыленность; нижние слои атмосферы насыщаются вредными для живых организмов газами и веществами промышленного и другого хозяйственного происхождения. Вследствие огромных выбросов техногенных газов и веществ, достигающих многих миллиардов тонн в год происходит нарушение газового состава атмосферы.[18] Весьма важную роль в составе атмосферы играет двуокись углерода (углекислый газ), который играет важную роль не только в жизнедеятельности человека, но и в выполнении атмосферной функции предохранения поверхности от перегрева и переохлаждения. Однако, хозяйственная деятельность человека нарушает естественный баланс выделения и ассимиляции СО2 в природе, в результате чего его концентрация в атмосфере увеличивается[18]

    В настоящее  время как в России, так и  за рубежом, повышаются требования  к мероприятиям по защите окружающей  среды, пересматриваются стандарты  по охране среды, вводятся новые  ограничения на деятельность  предприятий и организаций, влияющих  на состояние воздушного бассейна, уменьшаются нормативы выбросов  вредных соединений в атмосферу[18].

ДП - ГЗ.09.005/05-010-5005-2011

Изм

Лист

№докум.

подпись

дата

Разраб.

Шиянов А.Г.

Литературный обзор

Лит.

Лист

Листов

Руковод.

Теплова Т.Ю.

Консульт.

Факультет

сервиса

Н. Контр.

Зав. кафед.

 Пелевин Ф.В.

Одной из основных задач, стоящих перед специалистами на предприятиях является решение проблемы по очистке выбросов.

На территории Европы, по оценкам специалистов [17] ежегодная эмиссия паров растворителей в атмосферу составляет более 550 тыс. тонн. И в большинстве промышленно-развитых стран уже существуют законодательные ограничения на использование в технологических процессах лакокрасочных материалов, загрязняющих окружающую среду[17], причем установленные нормативы обязательны как для производителей, так и для потребителей материалов. А в России разрабатывается проект Федерального закона - «Технический Регламент «О безопасности лакокрасочных материалов и растворителей»[17].

2. Воздействие паров растворителей на окружающую среду.

      Осуществление любого производственного процесса невозможно без средств труда, большинство из которых оказывает самое непосредственное и, как правило, негативное влияние на окружающую среду. Формируемая при этом неблагоприятная экологическая обстановка в свою очередь влияет на человека, его физическое и психическое состояние. Поэтому очевидно, что решение проблемы негативного влияния техники на человека и окружающую среду в настоящее время уже невозможно без присутствия экологического аспекта при выборе, разработке и совершенствовании средств труда [15].   

      Поскольку  в практике антикоррозионной  защиты наибольшее распространение  получили лакокрасочные покрытия, представляется интересным рассмотреть  средства труда, применяемые при  их производстве, а точнее - лакокрасочные  материалы (ЛКМ) [22].  

      Ввиду того, что дипломный проект посвящен  разработке проекта вентиляционной  системы цеха покраски, речь пойдет  непосредственно о лакокрасочных  материалах, а не о покрытиях, получаемых после их нанесения  на защищаемые поверхности, необходимо  уточнить, какие составляющие могут  содержаться в лакокрасочном  материале (ЛКМ).

Лист

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Наиболее часто ЛКМ, подготовленные к нанесению, представляют собой суспензию пигментов и наполнителей в полимерном связующем, технологические свойства которой регулируются путем введения специальных добавок и растворителей. После нанесения лакокрасочного состава на защищаемую поверхность в течение некоторого времени протекает процесс его отвердения, приводящий к образованию твердой пленки покрытия с определенными эксплуатационными свойствами, которые можно охарактеризовать целым рядом показателей качества покрытия. Несмотря на то, что механизмы отвердения лакокрасочных материалов различны и во многом определяются видом полимерного связующего, можно отметить одну общую закономерность процесса их отвердения, а именно - испарение практически всего растворителя из покрытия в окружающую среду[22]. Рассматривая перечень растворителей, входящих в состав антикоррозионных ЛКМ, можно убедиться, что при всем многообразии ассортимента лакокрасочной продукции он невелик и представлен легколетучими органическими соединениями (ЛОС) или их смесями[24]. Перечень и предельно допустимые концентрации наиболее часто применяемых в качестве растворителей ЛОС приведен в таблице 1.

        Таблица 1.

Предельно допустимые концентрации растворителей           

Лист

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

    Необходимо отметить, что наличие одного и того же растворителя в различных ЛКМ абсолютно не означает то, что эти составы вносят одинаковый вклад в загрязнение окружающей среды. Рассматривая рецептуры традиционных ЛКМ более подробно, можно установить, что массовая концентрация растворителей в них различна и составляет от 25 до 65% по массе. Следовательно, при нанесении одинаковых количеств материалов с различной концентрацией растворителей, в атмосферу (а точнее в воздух рабочей зоны) выделяется неодинаковое количество паров растворителя. Например, при нанесении (выработке) килограмма ЛКМ с концентрацией растворителей 35% и 65% соответственно, в первом случае в воздух рабочей зоны выделится 350 г паров растворителя, а во втором - 650 г. В целом же, на территории Европы, по оценкам специалистов ежегодная эмиссия паров растворителей в атмосферу составляет более 550 тыс. тонн[17].

Специфические условия эксплуатации автомобилей ставит перед ремонтными службами целый ряд проблем, важнейшая из которых - защита от коррозии. Большое разнообразие разрушающих факторов - влаги, перепада температур, требует применения для их защиты химически и термически стойких, долговечных и технологичных защитных покрытий. В настоящее время существует ряд лакокрасочных покрытий, получаемых из органоразбавляемых материалов. Однако, в большинстве случаев составы, используемые при формировании таких покрытий, содержат значительное количество летучих органических растворителей[17], что приводит к загрязнению окружающей среды и требует проведения мероприятий, обеспечивающих соблюдение норм охраны труда и пожарной безопасности (табл. 2).

Лист

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Таблица 2

Параметры взрыво- и пожароопасности растворителей.

*- самая низкая температура, при которой над поверхностью растворителя  образуются пары, способные вспыхнуть в воздухе от источника зажигания;

**-  предельные концентрации растворителя в воздухе, при которых возможно распространение пламени по всей горючей смеси от источника зажигания.

Лист

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

    1.3. Минимизация ущерба окружающей среде от нанесения лакокрасочного покрытия в США и странах Европы.

Как это не парадоксально, но в России проблема защиты от коррозии с применением органоразбавляемых материалов пока что ощущается не так остро, как, например, в Германии или США[19]. Дело в том, что в большинстве промышленно-развитых стран уже существуют законодательные ограничения на использование в технологических процессах ЛКМ, загрязняющих окружающую среду, причем установленные нормативы обязательны как для производителей, так и для потребителей материалов[19].Вместе с тем материалы на основе органических растворителей остаются значительной составляющей рынка ЛКМ, поскольку за счет ряда преимуществ (способности к отверждению в сложных условиях (при высокой влажности и отрицательных температурах), возможности получения покрытий хорошего качества на сложных подложках, высокой механической и химической стойкости) часто бывают предпочтительней прочих ЛКМ. Очевидно, что в данном случае мы сталкиваемся с классическим примером так называемой «двуединости» техники в целом и средства труда (ЛКМ), в частности. С одной стороны органоразбавляемые материалы необходимы в тех областях применения, где к покрытиям предъявляются повышенные требования по защитным и декоративным свойствам, с другой - ограничивается применение лакокрасочных материалов с высокой концентрацией растворителей, оказывающих негативное влияние на окружающую среду и человека[19 ].

Во многих странах мира[20] уделяется все больше внимания лакокрасочным покрытиям, которые не содержат органических растворителей. Во многом это обусловлено возможностью производить краски без вреда для окружающей среды и необходимостью использования экологически чистых материалов в строительно-ремонтных работах.

Лист

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

    Многие европейские производители проводят исследования и разрабатывают порошковые, водно-дисперсионные (ВД) лакокраски, материалы радиационного отверждения без растворителей, материалы с высоким показателем сухого остатка.  Например, ЕС уже приняты директивы, содержащие конкретные указания по снижению ЛОС до определенного уровня к 2010 г. во многих секторах лакокрасочной промышленности, а в России разрабатывается проект Федерального закона - «Технический Регламент «О безопасности ЛКМ и растворителей»[20 ]. Американское агентство по охране окружающей среды окончательно приняло новые нормативы по содержанию летучих органических растворителей в рецептурах строительных и промышленных ремонтных красок[17]. Согласно этим нормативам в красках для ремонта квартир этот показатель не должен превышать 250 г/л, а в промышленных -400 г/л. Эти цифры показательны - аналогичные значения фигурируют в проекте вышеупомянутого закона (сравните их с существующими -350-650 г/л).    Таким образом, постоянное ужесточение норм экологического законодательства потребует в ближайшее время все большее внимание уделять экологическому аспекту применения лакокрасочных составов, что определяет необходимость их своевременного совершенствования и приведения к установленным нормам эмиссии ЛОС в окружающую среду. Представляется, что решать данную задачу следует поэтапно, создав для этого программу взаимодействия между производителями и потребителями лакокрасочных материалов, добиваясь на каждом из этапов определенного компромисса между экологическими нормами, стоимостью и качеством покрытия. В настоящее время уже существуют все необходимые предпосылки для широкого применения материалов с пониженным содержанием летучих органических растворителей (10-25%), т.е. материалов с высоким сухим остатком, полностью соответствующих существующей нормативной базе. Также данные материалы могут послужить основой для разработки материалов нового поколения, с ультранизким (3-5%) содержанием летучих органических растворителей или полным их отсутствием[22]

Лист

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

1.4. Работа покрасочно-сушильной камеры OLT (Германия).

Применяется как для покраски автомобилей, так и в других видах производства (к примеру, для покраски мебели).

• Процесс покраски

Свежий воздух, нагнетаемый вентилятором, проходит через предварительный фильтр, затем подогревается до 20-220С, и через потолочные отверстия камеры подается внутрь. Потолочные отверстия укомплектованы специальными фильтрами тонкой очистки. Поток воздуха направляется сверху вниз по всей длине камеры. Под полом камеры расположены вытяжные каналы, оборудованные специальными кассетными фильтрами для улавливания частиц краски. Индикатор падения давления (опция) показывает степень загрязнения кассет. Эффективность покрасочных фильтров-98 %. Очищенный таким образом воздух выводится из цеха наружу посредством вытяжного вентилятора [22 ].

• Сушка

Вытяжной и нагнетающий вентилятор отключаются после окончания окраски. Система переводится в режим циркуляции. Воздух из камеры поступает в нагреватель, и затем подается обратно в камеру посредством нагнетающего вентилятора. Максимальная температура воздуха в камере-105 0С. Часть воздуха, содержащего растворитель, выводится в атмосферу, на его место поступает свежий воздух. Таким образом, концентрация растворителя в воздухе остается на 50% ниже минимального предела взрывоопасности (Рисунок 1).

Лист

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Рис. 1. Схема покрасочно - сушильной камеры OLT

При использовании окрасочной камеры главную роль играет ее экономичность. В процессе сушки до 90% горячего воздуха с вытяжки возвращается в окрасочную камеру. Таким образом, значительно экономятся энергоресурсы. При этом, эффективно поддерживается температура и скорость высыхания лакокрасочного покрытия. Значительно снижается шумность и стоимость покрасочной камеры за счет использования центробежных моторов, поскольку мотор находится в улитке тепловентилятора [22 ].

1.5. Очистка воздуха  от примесей.

В настоящее время разработано и опробовано в промышленности большое количество различных методов очистки газов от органических и неорганических веществ[  ].

Лист

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

1.5.1. Абсорбционный метод.

Абсорбционная очистка (АО) отходящих газов применятся как для извлечения ценных компонентов из газового потока и возврата  их снова в технологический процесс для повторного использования, так и удаление из газового потока токсичных веществ с целью санитарной очистки газов. Обычно рационально использовать абсорбционную очистку тогда, когда концентрация целевого компонента в газовом потоке достаточно велика: свыше 15 %.

Абсорбция – процесс избирательного поглощения одного или нескольких компонентов из газовых смесей жидкими поглотителями. Газовую фазу, в которой находится компонент, подлежащий удалению, называют газом – носителем, поглощающий компонент – абсорбтивом, а жидкий поглотитель – абсорбентом.

В зависимости от физико-химической основы процесса различают физическую и химическую абсорбцию (хемосорбцию, т.е. абсорбцию, сопровождающуюся химической реакцией газа с абсорбентом).

Для физической абсорбции обычно применяют воду, органические растворители – неэлектролиты, не реагирующие с растворимым газом, и их водные растворы. К методам физической абсорбции можно отнести водную очистку от диоксида углерода (CO2), очистку от диоксида углерода метанолом (CH3OH) при низких температурах, очистку оксида углерода и метана (CH4) жидким азотом.

К процессам химической абсорбции отходящих газов относятся моноэтаноламиновая (МЭА), поташная и щелочная очистка газов от диоксида углерода, многие процессы очистки газов от сероводорода (H2S), медноаммиачная очитка от оксида углерода и другие процессы.

1.5.2. Адсорбционный  метод.

Адсорбционный метод являются одним из самых распространенных средств защиты воздушного бассейна от загрязнений. Только в США введены и успешно эксплуатируются десятки тысяч адсорбционных систем[19].

Лист

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Если результатирующая сил притяжения направлена внутрь данной фазы, то особое состояние на поверхности проявляется в способности притягивать молекулы другой фазы, находящейся в контакте с этим слоем. Молекулы поглощающего вещества, сорбируясь, частично насыщают поверхность сорбента и уменьшают ее свободную энергию.

Основными промышленными адсорбентами являются активированные угли, сложные оксиды и импрегнированные сорбенты. Активированный уголь (АУ) нейтрален по отношению к полярным и неполярным молекулам адсорбируемых соединений. Он менее селективен, чем многие другие сорбенты, и является одним из немногих, пригодных для работы во влажных газовых потоках. Активированный уголь используют, в частности, для очистки газов от дурно пахнущих веществ, рекуперации растворителей и т.д.

Оксидные адсорбенты (ОА) обладают более высокой селективностью по отношению к полярным молекулам в силу собственного неоднородного распределения электрического потенциала. Их недостатком является снижение эффективности в присутствии влаги. К классу ОА относят силикагели, синтетические цеолиты, оксид алюминия.

Для десорбции примесей используют нагревание адсорбента, вакуумирование, продувку инертным газом, вытеснение примесей более легко адсорбирующимся веществом, например, водяным паром. В последнее время особое внимание уделяют десорбции примесей путем вакуумирования, при этом их часто удается легко утилизировать.

Для проведения процессов адсорбции разработана разнообразная аппаратура. Наиболее распространены адсорберы с неподвижным слоем гранулированного или сотового адсорбента. Непрерывность процессов адсорбции и регенерации адсорбента обеспечивается применением аппаратов с кипящим слоем.

В последние годы все более широкое применение получают волокнистые сорбционно-активные материалы. Мало отличаясь от гранулированных адсорбентов по своим емкостным характеристикам, они значительно превосходят их по ряду других показателей.

Лист

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Например, их отличает более высокая химическая и термическая стойкость, однородность пористой структуры, значительный объем микропор и более высокий коэффициент массопередачи (в 10-100 раз больше, чем у сорбционных материалов). Установки, в которых используются волокнистые материалы, занимают значительно меньшую площадь. Масса адсорбента при использовании волокнистых материалов меньше, чем при использовании АУ в 15-100 раз, а масса аппарата в 10 раз. Сопротивление слоя не превышает при этом 100 Па.

Еще одним направлением усовершенствования адсорбционных методов очистки является разработка новых модификаций адсорбентов – силикагелей и цеолитов, обладающих повышенной термической и механической прочностью. Однако гидрофильность этих адсорбентов затрудняет их применение.

Адсорбционные методы являются одним из самых распространенных в промышленности способов очистки газов. Их применение позволяет вернуть в производство ряд ценных соединений. При концентрациях примесей в газах более 2-5 мг/м³, очистка оказывается даже рентабельной. Основной недостаток адсорбционного метода заключается в большой энергоемкости стадий десорбции и последующего разделения, что значительно осложняет его применение для многокомпонентных смесей.

1.5.3. Термическое  дожигание.

Дожигание представляет собой метод обезвреживания газов путем термического окисления различных вредных веществ, главным образом органических, в практически безвредных или менее вредных, преимущественно СО2 и Н2О. Обычные температуры дожигания для большинства соединений лежат в интервале 750-1200о C. Применение термических методов дожигания позволяет достичь 99%-ной очистки газов.

При рассмотрении возможности и целесообразности термического обезвреживания необходимо учитывать характер образующихся продуктов горения..

Лист

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Продукты сжигания газов, содержащих соединения серы, галогенов, фосфора, могут превосходить по токсичности исходный газовый выброс. В этом случае необходима дополнительная очистка Термическое дожигание весьма эффективно при обезвреживании газов, содержащих токсичные вещества в виде твердых включений органического происхождения (сажа, частицы углерода, древесная пыль и т.д.).

Важнейшими факторами, определяющими целесообразность термического обезвреживания, являются затраты энергии (топлива) для обеспечения высоких температур в зоне реакции, калорийность обезвреживаемых примесей, возможность предварительного подогрева очищаемых газов. Повышение концентрации дожигаемых примесей ведет к значительному снижению расхода топлива. В отдельных случаях процесс может протекать в автотермическом режиме, т. е. рабочий режим поддерживается только за счет тепла реакции глубокого окисления вредных примесей и предварительного подогрева исходной смеси отходящими обезвреженными газами.

Принципиальную трудность при использовании термического дожигания создает образование вторичных загрязнителей, таких как оксиды азота, хлор, SO2 и др.

Термические методы широко применяются для очистки отходящих газов от токсичных горючих соединений. Разработанные в последние годы установки дожигания отличаются компактностью и низкими энергозатратами. Применение термических методов эффективно для дожигания пыли многокомпонентных и запыленных отходящих газов.

1.5.4. Термокаталитические  методы.

Каталитические методы газоочистки отличаются универсальностью. С их помощью можно освобождать газы от оксидов серы и азота, различных органических соединений, монооксида углерода и других токсичных примесей. Каталитические методы позволяют преобразовывать вредные примеси в безвредные, менее вредные и даже полезные.

Лист

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата