Исследование запыленности воздуха комбикормового предприятия при приёмке пшеницы

Введение. На комбикормовых предприятиях при приёмке сырья растительного происхождения в большинстве случаев используют приёмные пункты с автомобилеразгрузчиками, которые осуществляют выгрузку зернового материала и другого сырья через левый или правый борт, при этом имеется возможность разгрузки самосвалов с задней разгрузкой на платформу автомобилеразгрузчика. Как правило, в воздух приёмного пункта выделяется пыль, наиболее высокое содержание которой наблюдается при бортовом свале самосвалов, так как высота падения сырья больше на 1 м, чем при раз- грузке автомобилеразгрузчиком, за счет отсутствия наклона вертикальной оси автомобиля из-за усиления эффекта эжек-ции [1, 2]. При этом длительность существования аэрозоля зависит от количества ссыпаемого материала, его вида, направления и силы ветра.

В уборочный сезон приёмный пункт работает 24 ч в сутки (идёт поток разгружаемых автомобилей), содержание пыли на котором изменяется в зависимости от этапа приёмки сырья с одного автомобиля, в свою очередь этапы условно делим на 4 вида [3]:

• 1)    до разгрузки;

• 2)    открытие борта;

• 3)    разгрузка автомобиля;

• 4)    после окончания разгрузки.

За смену на приёмный пункт направляют автомобили с одним видом сырья, в результате чего пыль в воздухе представлена соответствующим составом. Так, при приёмке пшеницы выделяется зерновая пыль, которая содержит органические вещества и некоторое количество диоксида кремния, что в дальнейшем, при воздействии на организм работников вредных факторов в процес- се трудовой деятельности, может привести к возникновению профессиональных заболеваний.

Материалы и методы исследования. По завершении этапа «после окончания разгрузки» одного автомобиля наступает этап «до разгрузки» до начала разгрузки следующего автомобиля, который является наиболее длительным и характеризуется относительной прозрачностью воздуха приёмного пункта (рисунок 1) [3].

Рисунок 1 – Вид приёмного пункта на этапе «до выгрузки» пшеницы Figure 1 – View of the receiving point at the stage «until unloading» wheat

После первого наступает второй этап («открытие борта»), в ходе которого вручную производится открытие борта основного кузова автомобиля и прицепа, а высыпание зерна пшеницы осуществляется за счет естественных процессов внутреннего трения, объема кузова и его материала. При этом опрокидывания кузова не происходит, длительность этапа составляет около 2 минут (рисунок 2), аэрозоль существует около 15 минут, или до начала третьего этапа («разгрузка автомобиля»), при котором начинается выделение пыли в ходе опрокидывания кузова. Автомобиль грузоподъёмностью до 8 тонн в виде автопоезда полностью помещается на платформе и способен сразу разгружаться.

В зависимости от запыленности воздуха, а также способа разгрузки автомобиля, начало разгрузки может происходить сразу (при использовании авторазгрузчика) или спустя некоторое время (самосвалом). В отдельных случаях, особенно при высокой влажности пшеницы, необходимо вручную скребками очищать кузов, при этом длительность ссыпания составляет не менее 10 секунд (рисунок 3), а выделение пыли может длиться до 5 минут.

а a                          б b                          в c

а – попадание зерна в бункер (50 с после открытия);

б – образование пылевого облака (52 с после открытия);

в – окончание истечения зерна (76 с после открытия) Рисунок 2 – Процесс этапа «открытие борта» a – grain entering the hopper (50 secs. after opening); b – dust cloud formation (52 secs. after opening); c – dust cloud spreading (76 secs. after opening) Figure 2 – Process of the stage «opening of the side of the truck»

а a

б b                         в c

а – 92 с (начало разгрузки); б – 95 с (поднятие облака на высоту 2,5 м);

в – 102 с (окончание ссыпания)

Рисунок 3 – Процесс этапа «разгрузка автомобиля» через время после начала открытия прицепа a – 92 secs. (start of unloading); b –95 secs. (raising the cloud to a height of 2,5 m); d – 102 secs. (end of dumping)

Figure 3 – Process of the stage «unloading the truck body» after the trailer opening

После окончания ссыпания запыленность воздуха будет снижаться за счёт оседания частиц пыли под воздействием силы тяжести, в соответствии с законом Стокса, и влиянием изменяющейся ветровой нагрузки, поэтому время существования аэрозоля не превышает в среднем 15 минут (рисунок 4).

а a                          б b                          в c

Рисунок 4 – Вид приёмного пункта этапа «после окончания разгрузки» через время после начала открытия прицепа: а –131 с; б – 248 с; в – 418 с Figure 4 – Type of the receiving point of the stage «after unloading» following the trailer opening: a – 131 secs.; b – 248 secs.; c – 418 secs.

Определение запылённости воздуха приёмного пункта заключается в установлении концентрации пыли и её дисперсного состава на каждом этапе. Для этого были использованы гравиметрический метод, а также метод микроскопирования полученных аналитических фильтров с помощью микроскопа и цифровой камеры [4–7].

Полученные изображения фильтров подвергаются обработке в графических редакторах [3–5, 8], а в дальнейшем – в программах ImageJ [9] и Microsoft office Exel, причём размер частиц выражается в максимальном линейном размере и аэродинамическом диаметре [5, 10, 11]. Полученные данные подвергаются статистической обработке для нахождения параметров логарифмического нормального распределения, по которым в дальнейшем определяются параметры содержания частиц размерами до 2,5 мкм (параметр РМ2.5) и 10 мкм (параметр РМ10) [12–15], выраженные в мг/м3.

Кроме размера частиц важное значение имеет их форма, которую можно частично учесть с помощью аэродинамического диаметра, однако величина его не однозначно характеризует скорость витания частиц, из-за невозможности учёта всех имеющихся пор. Все формы частиц (ГОСТ 25849-83 «Порошки металлические. Метод определения формы частиц»), по отношению максимального размера (Lmax, мкм) к минимальному (Lmin, мкм), подразделяются на:

• –    сферические ( L max /L min – от 1 до 1,2);

• –    округлые ( L max /L min – от 1,2 до 2,0);

• –    угловатые ( L max /L min – от 2 до 5);

• –    стержневые ( L max /L min – от 5 до 25);

• –    игольчатые ( L max /L min – свыше 25).

Результаты исследования и их обсуждение. По результатам гравиметрического анализа концентрации пыли на исследуемых этапах приёмки пшеницы в среднем составили 6,6 мг/м³, 1702,84 мг/м³, 91,88 мг/м³, 14,98 мг/м³, соответственно. Указанные значения превышают ПДК (СаНиП 1.2.3685-21 «Гигиенические нормативы и требования к обеспечению безопасности и (или) безвредности для человека факторов среды обитания») в 1,65–425,71 раза.

Для дальнейшей оценки степени риска негативных последствий и эффективности функционирования системы пылеудаления и пылеочистки проведён анализ дисперсного состава пыли пше- ницы с помощью оптического микроскопа. Обработанные изображения микрофотографий аналитических фильтров представлены на рисунке 5.

а a

б b

в c

г d

а – «до разгрузки»; б – «открытие борта»; в – «разгрузка автомобиля»; г – «после окончания разгрузки»

Рисунок 5 – Обработанные микрофотографии с выделенными частицами на этапах a – «until unloading»; b – «opening the truck body»; c – «unloading the truck body»; d – «the truck body is unloaded»

Figure 5 – Processed micrographs with selected particles at the stages

В ходе обработки микрофотографий аналитических фильтров были получены следующие результаты (таблица 1).

Таблица 1 – Результаты обработки микрофотографий аналитических фильтров Table 1 – Results of processing micrographs of analytical filters

Наименование параметра Parameter name	Наименование этапа приёмки пшеницы Name of wheat acceptance stage
	«до разгрузки» «until unloading»	«открытие борта» «opening the truck body»	«разгрузка автомобиля» «unloading the truck body»	«после окончания разгрузки» «after the truck body is unloaded»
Количество исследуемых зон аналитического фильтра/ микрофотографий, шт. Number of analytical filter zones/micrographs, pcs.	7/16	6/27	6/17	6/19
Количество обнаруженных частиц, шт. Number of detected particles, pcs.	941	8978	18638	8761
Максимальный линейный размер наименьшей обнаруженной частицы d лин , мкм Maximum linear size of the smallest detected particle d lin , μm	1,94	2,17	2,17	2,48
Максимальный линейный размер наибольшей обнаруженной частицы d лин , мкм Maximum linear size of the largest particle detected d lin , μm	448,3	1407,15	716,23	1326,41
Площадь наименьшей обнаруженной частицы, мкм2 Area of the smallest detected particle, μm2	1,42	1,42	2,36	2,36
Площадь наибольшей обнаруженной частицы, мкм2 Area of the largest detected particle, μm2	15578,67	328539,52	70753,17	89266,43
Наименьшее отношение обнаруженных частиц L max /L min Lowest ratio of detected particles L max /L min	1	1	1	1
Наибольшее отношение обнаруженных частиц L max /L min Highest ratio of detected particles L max /L min	9,34	18,5	18,6	17,99

После обработки экспериментальных интегральных зависимостей доли частиц от их десятичного логарифма размера (рисунки 6 и 7) были получены параметры (таблица 2) логарифмического нормального закона распределения дисперсного состава пылей по макси- мальному линейному размеру и аэродинамическому диаметру. На основании полученных значений и концентраций пылей рассчитаны содержания частиц размером до 2,5 и 10 мкм (РМ2.5 и РМ10), мг/м3 (таблица 2).

Рисунок 6 – Интегральные зависимости экспериментальных значений долей частиц от десятичного логарифма максимального линейного размера частиц ( lg d лин ) при различных этапах приёмки пшеницы

Figure 6 – Integral dependences of experimental values of particle fractions on the decimal logarithm of the maximum linear particle size ( lg d lin ) at different stages of wheat acceptance

—о— «до разгрузки»

«until unloading»

-я- «открытие борта» «opening the truck body»

-А- «разгрузка автомобиля» «unloading the truck body»

«после окончания разгрузки» «after the truck body is unloaded»

Рисунок 7 – Интегральные зависимости экспериментальных значений долей частиц от десятичного логарифма аэродинамического диаметра частиц ( lg d аэр ) при различных этапах приёмки пшеницы Figure 7 – Integral dependences of experimental values of particle fractions on the decimal logarithm of the particle aerodynamic diameter ( lg d aer ) at different stages of wheat acceptance

На рисунке 8 представлен морфологический анализ частиц пыли, образующейся на четырёх этапах приёмки зерна пшеницы.

Таблица 2 – Параметры дисперсного состава пылей пшеницы Table 2 – Disperse composition parameters of wheat dust

Наименование параметра Parameter name	Наименование этапа приёмки пшеницы Name of wheat acceptance stage
	«до разгрузки» «until unloading»	«открытие борта» «opening the truck body»	«разгрузка автомобиля» «unloading the truck body»	«после окончания разгрузки» «after the truck body is unloaded»
Дисперсный состав по максимальному линейному размеру Disperse composition by maximum linear size
Средний размер частиц Mean particle size	66,68	59,3	44,98	53,58
lg σ	0,229	0,229	0,231	0,21
РМ2.5, мг/м3 РМ2.5, mg/m3	1,57∙10-9	1,63∙10-6	2,54∙10-6	1,74 ∙10-9
РМ10, мг/м3 РМ10, mg/m3	0,00106	0,62724	0,21596	0,00388
Дисперсный состав по аэродинамическому диаметру Disperse composition by aerodynamic diameter
Средний размер частиц Mean particle size	42,27	37,07	27,54	34,12
lg σ	0,28	0,19	0,205	0,18
РМ2.5, мг/м3 РМ2.5, mg/m3	3,81∙10-5	6,06∙10-7	1,71∙10-5	2,15∙10-09
РМ10, мг/м3 РМ10, mg/m3	0,08372	2,33870	1,46299	0,02296

Форма частиц Shape of particles

«до разгрузки»

«until unloading»

«открытие борта»

«opening the truck body»

«разгрузка автомобиля»

«unloading the truck body»

«после окончания разгрузки» «after the truck body is unloaded»

Рисунок 8 – Распределение форм частиц при этапах приёмки пшеницы: «до разгрузки»;

«открытие борта»; «разгрузка автомобиля»; «после окончания разгрузки»

Figure 8 – Particle shape distribution during wheat reception stages: «until unloading»;

«opening the truck body»; «unloading the truck body»; «after the truck body is unloaded»

Основная доля частиц пыли при анализе приходится на округлую форму, что составляет 64,06%, 54,01%, 49,20% и 52,88% на этапах, соответственно, «до разгрузки»; «открытие борта»; «разгрузка автомобиля»; «после окончания разгрузки». Минимальная доля в анализе пыли приходится на частицы стержневой формы, что составляет 0,75%, 3,43%, 3,61% и 3,85% на этапах, соответственно, «до разгрузки»; «открытие борта»; «разгрузка автомобиля»; «после окончания разгрузки». Имеет место отсутствие частиц игольчатой формы на всех этапах.

Кроме этого, оказалось, что снижение содержания частиц пыли в воздухе сферической и округлой форм при приёмке пшеницы приводит к нарушению последовательности значений параметров РМ2.5 и РМ10.

Выводы. Работающие на приёмных пунктах комбикормового производства при выгрузке зерна пшеницы подвергаются негативному воздействию пыли, концентрации которой превышают допустимые нормативные значения в 1,65–425,71 раз.

Средний размер частиц пыли пшеницы составляет 34,12–53,58 мкм, что позволяет отнести их к среднедисперсным и крупнодисперсным пылям, и для её улавливания можно использовать с высокой эффективностью циклоны и фильтры грубой очистки.

При расчётах эффективности применения аппаратов пылеулавливания и средств индивидуальной защиты, работающих с использованием закона Стокса, без поправочных коэффициентов удобнее использовать частицы сферической и округлой форм, на которые в сумме приходится 61,33–79,57%.