Разработка технологии утилизации твердых отходов металлургического производства
УДК 577.4:517.9+504.064+666.913 На правах рукописи
БОРАНКУЛОВА ГАУХАР САРСЕНБАЕВНА
Разработка технологии утилизации твердых отходов
металлургического производства
25.00.36 – Геоэкология
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Республика Казахстан
Тараз, 2010
Работа выполнена в Таразском государственном университете имени М.Х. Дулати.
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор,
Сагындыков А.А.
Официальные оппоненты: доктор технических наук
Бекбаев Р.К.;
кандидат технических наук
Жаскиленова А.Е.
Ведущая организация: Институт горного дела им. Д.А. Кунаева.
Защита диссертации состоится «_____» _________________ 2010 г. в _____ ч. на заседании диссертационного совета Д 14.03.02 в зале заседаний Ученого совета Таразского государственного университета им. М.Х. Дулати по адресу: 080000, г. Тараз, ул. Толе би, 60.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Таразского государственного университета им. М.Х. Дулати.
Автореферат разослан «_____» _________________ 2010 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета Сахы М.
Введение
Общая характеристика работы. В работе рассмотрены экологические и физико-механические характеристики отходов Таразского металлургического завода (ТМЗ), выявлены условия образования доменного шлака, шлака ферросиликомарганца, отходов вскрышной технологии, отходов литейного производства, шламы обогащения марганцевых руд и железных руд, угольной, коксовой, антрацитовой мелочи. Дана оценка воздействия ТМЗ на окружающую среду, определены категория опасности и предельно-допустимые выбросы. Приведена модель распространения неорганической пыли в зависимости от скорости ветра, оседания частиц, загрязнения почвы тяжелыми металлами в снеговом покрове. Разработана технология утилизации твердых отходов, путем получения на их основе строительных материалов: портландцемента, шлакопортландцемента, шлакощелочных вяжущих, бетонов. Определены экологический ущерб от воздействий отходов и эколого-экономическая эффективность разработанных технологий.
Актуальность работы. Черная и цветная металлургия является одним из крупнотоннажных производителей отходов, в числе которых отходы добыч, обогащения рудного сырья и флюсовых материалов, шлаки, шламы, пыли. По экспертным оценкам удельный выход твердых, газообразных и жидких отходов на 1 т готовой продукции в целом по Казахстану составляют: вскрышные и вмешивающие породы – 1500-2500 кг; шлаки – 500-1000 кг, шламы – 120-150 кг; сухая пыль – 80-120 кг; окалина – 30-40 кг, сточные воды – 250-300 м3, аспирационный воздух – 30-50 тыс. м3, горючие газы – 2000-2500 м3.
В настоящее время в ТМЗ ежегодно образуется около 200 тыс. тонн отходов, складирование которых приводит к отчуждению больших площадей сельскохозяйственных земель, создает угрозу их засоления, повышения степени минерализации подземных вод прилегающих территорий и ухудшения гидрохимического режима близ расположенных водоемов.
Поэтому оценка экологического воздействия ТМЗ на окружающую среду и разработка научно-обоснованной технологии рациональной их переработки с получением вяжущих материалов, бетонов, керамических материалов на их основе является актуальной проблемой.
Работа выполнена в соответствии с госбюджетным планом научно-исследова-тельских работ кафедры «Архитектура и строительство» Таразского государственного университета им. М.Х. Дулати.
Цель диссертационной работы состоит в экологической оценке влияния Таразского металлургического завода на окружающую среду (ОС) и разработке технологии утилизации твердых отходов Таразского металлургического завода.
Для достижения поставленной цели определены основные задачи:
- изучение и оценка вредного воздействия ТМЗ на окружающую среду;
- исследование экологических и физико-механических характеристик отходов ТМЗ;
- разработка технологии переработки доменных, сталеплавильных шлаков, отработанных формовочных песков в портландцемент, шлакопортландцемент, шлакощелочные вяжущие, высокопрочные бетоны;
- разработка составов и технологии тяжелых бетонов, керамического кирпича на основе отвальных шлаков, угольной, антрацитовой, коксовой мелочи, отработанных формовочных песков;
- разработка комплексной системы управления отходами и эколого-экономи-ческая оценка эффективности технологии утилизации.
Основная идея работы заключается в определении содержания тяжелых металлов в отходах ТМЗ с помощью современных методов физико-химического анализа и разработки технологии получения из них вяжущих, бетонов, керамического кирпича.
Научная новизна работы:
- построена математическая модель переноса пыли с учетом турбулентной диффузии, скорости ветра, гравитационного оседания частиц;
- установлена степень загрязнения твердой и водной фазы снегового покрова тяжелыми металлами марганца, свинца, цинка, меди, кадмия;
- выявлены особенности структурообразования, физико-механические свойства портландцементного клинкера, шлакощелочных цементов, шлакопортландцемента, керамических строительных материалов, полученных с использованием отходов ТМЗ.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
- результаты модельных, экспериментальных исследований по распространению загрязняющих веществ в атмосфере, почве, возникающих в результате деятельности ТМЗ;
- технология получения портландцементного клинкера, шлакопортландцемента, шлакощелочных вяжущих, бетонов, керамического кирпича из отходов металлургического производства.
Объекты и методы исследования. Объект исследования: производственные цеха ТМЗ и его твердые отходы: доменный шлак, шлак ферросиликомарганца, отходы вскрышной технологии, отходы литейного производства, шлам обогащения марганцевых руд, шлам обогащения железных руд, угольная, коксовая, антрацитовая мелочь. Методы исследований: ионная хромотография, атомно-эмиссионная спектроскопия, инфракрасно-спектральный, рентгенофазовый и дифференциально-термический анализ.
Практическая ценность и реализация результатов работы:
- произведена оценка влияния ТМЗ на ОС и определены величины предельно допустимых выбросов и категория опасности предприятия;
- разработана технология получения цементов марок М-300, М-400, М-500 на основе доменного шлака, шлама обогащения, отработанных формовочных смесей;
- разработаны составы высокопрочных бетонов, керамического кирпича, керамзита на основе отвальных шлаков, угольной, коксовой, антрацитовой мелочи;
- проведена эколого-экономическая оценка ущерба наносимого отвалами отходов на окружающую среду и разработана модель управления отвалами.
Технология получения вяжущих прошла опытно-промышленные испытания в ТОО «АХЕМ INVESTMENT». Экономический эффект при объеме производства 200 тыс. тонн составляет 99100000 тг.
Личный вклад автора. Вклад автора состоит в непосредственном определении содержания вредных веществ в атмосфере, воде, почве, и определении их влияния на окружающую среду, разработке математических моделей рассеивания пыли в атмосфере, разработке технологии получения вяжущих, портландцементного клинкера, шлакопортландцемента, шлакощелочных вяжущих, керамического кирпича на основе промышленных отходов Таразского металлургического завода.
Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на: Международных научно-практических конференциях «Инновационные технологии в совершенствовании подготовки инженерных и научных вкладов» (Тараз, 2006) и «Обеспечение экологической безопасности – путь к устойчивому развитию Казахстана» (Тараз, 2010); III Международной научной конференции молодых ученых «Инновационное развитие и востребованность науки в современном Казахстане» при фонде Первого Президента Республики Казахстан совета молодых ученых (Алматы, 2009).
Обоснованность и достоверность научной работы, выводы и рекомендации подтверждаются:
- применением комплекса современных приборов физико-химического анализа;
- положительными результатами опытно-промышленной апробации разработанной технологии утилизации промышленных отходов ТМЗ.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 11 научных трудов, из них 4 статьи в научных журналах, рекомендованных Комитетом по контролю в сфере образования и науки РК, и 6 в сборниках трудов Международных научно-практических конференций, получено положительное заключение о выдаче инновационного патента РК на изобретение №2009/1464.1.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения, список использованных источников из 120 наименований, приложений. Работа изложена на 122 страницах компьютерного текста, включает 35 рисунков и 34 таблицы.
Основная часть
Введение содержит обоснование актуальности разработки технологических основ переработки твердых отходов Таразского металлургического завода на окружающую среду, определение цели и задач работы, приводится научная новизна работы и практическая ценность полученных результатов, сформулированы основные положения выносимые на защиту.
1 Оценка вредного воздействия Таразского металлургического завода на окружающую среду
В разделе проведен анализ производственной деятельности и технологических процессов, как источника загрязнения окружающей среды. Результаты анализа и обработки проб воздуха, отобранных на стационарных постах наблюдений, свидетельствуют о том, что рассмотренный объект Таразский металлургический завод относится к предприятию 2 класса опасности (КОП=15675,2) с превышением ПДК по нескольким загрязняющим веществам, которые позволяют отнести предприятие к критическому уровню экологического риска и требуют проведения природоохранных работ. Выявлено 24 загрязняющих вещества, выбрасываемых в атмосферу, основными из которых являются бензапирен, пыль неорганическая, оксиды азота, углерода, серы, железа, углеродные соединения, аммиак. Условная загрязняющая масса их составляет 18236,42 тонн.
Проведено компьютерное моделирование для оценки величины ветрового переноса загрязнений. Для реализации модели использован алгоритм решения дифференциального уравнения методом расщепления по физическим процессам, изложенным в работах Г.И. Марчука. Для численного решения дифференциального уравнения была использована интегрированная система символьной математики MathCad фирмы MathSoft Inc. Рассмотрено дифференциальное уравнение переноса i-ой примеси в частных производных:
(1)
где: qi – концентрация i-ой примеси, i=1; u,v,w – компоненты вектора скорости по осям 0x,0y,0z, соответственно; t – время; wi – скорость гравитационного оседания i-ой примеси; k – коэффициент турбулентной вязкости атмосферы по горизонтали (константа); v(z) –коэффициент турбулентной вязкости атмосферы по вертикали; Рi – член, учитывающий вымывание осадками i-ой примеси; Si – член, описывающий источники выброса i-ой примеси в атмосферу.
Результаты численных расчетов, приведенных на рисунке 1, показывают уровни концентрации пыли в зависимости от времени начала выброса. Выдавались 4 линии уровня загрязнений (в мг/м3): 0,6, …, 1,2; 1,8; 2,4. Центр выброса располагался в зоне ТМЗ при пересечении вертикальной и горизонтальной линии координат (х=5 км). При расчете высота менялась от нуля до 120 м, а его направление оставалось постоянным. Полученная в модели величина эмиссии пыли интерполировалась из узлов мелкой сетки в узлы крупной сетки 2020 км (размер ячейки 1 км) и использовалась при расчете переноса пыли.
Рисунок 1 – Распределение концентрации пыли при скорости ветра 5 м/с
Как видно, зона повышенной концентрации пыли растягивается до 20 км и превышает ПДК в точке выброса.
На рисунке 1 изображены поля загрязнений, возникающих в результате переноса пыли. Они распространяются на большие расстояния и охватывают поселки Шайкорык, Бурыл, Абай. Определены баланс загрязнения, средняя концентрация (по периметру, на разных высотах, в зависимости от скорости и направлении ветра).
Балансовая оценка выполнялась, в соответствии с законом сохранения массы вещества, по формуле:
(2)
где: h – текущая высота над поверхностью земли; S – элемент площади; Ci – концентрация ЗВ, скорость ветра; cos (U, S) – cos угла между вектором ветра и элементом площади; Qi – скорость образования i-го ЗВ на территории ТМЗ.
По данным измерений наветренной и подветренной стороны Таразского металлургического завода представлены средние концентрации переноса химических компонентов
Установлено, что в период измерений, в основном, выносились кальций, сернистый ангидрид, также отмечается перенос алюминия, железа, кремния. Обычно эти элементы входят в состав грубодисперсных частиц, которые имеют высокую скорость седиментации. Поэтому вероятнее всего, впоследствии, они осели на поверхность земли.
Соотношение переносимой массы иона SO
и газообразного SO2 находилось в пропорции 1:15. Это свидетельствует о том, что выбрасываемый предприятием SO2 не успевает конденсироваться или вступать в реакции непосредственно в атмосфере и выносится в ОС в изначальном виде.
Проведен мониторинг загрязнения снегового покрова металлами-экотоксикон-тами техногенного происхождения ТМЗ. По среднестатистическим данным, на подстилающую поверхность за зимний период пыли на каждый м2 поступает в зоне действия завода – от 1,5 до 10 г в радиусе 1 км на фоновых станциях от 0,05 до 0,4 г. Твердая фаза снегового покрова по данным рентгеноспектрального электронно-зондового микроанализа представляет собой сложную смесь минеральных частиц (сферической, округлой и правильно ограненной формы) размерами от 1 до 300 мкм. В твердой фазе хорошо выражена природная составляющая (полевые шпаты, кварц, алюмосиликаты, кальцит). Сажистая фаза (соединения углерода, карбонаты, карбиды и сульфиды металлов), обусловленная потоками техногенной природы, преобладает в зонах высокой антропогенно-экологической нагрузки. В твердой фазе снега отмечены повышенные содержания (мкг/г) металлов: Mn до 400, Pb до 200, Zn до 20, Cu до 200, Cd до 8. Водная фаза снегового покрова представлена низкоминерализованными водами гидрокарбонатно-сульфатного и сульфатно-гидрокарбонатного кальций-магнивого состава с примесью хлора. Также встречаются вода фторидного и фосфатного состава на формирование которого влияют отвалы фосфатных шлаков.
Содержание микроэлементов в снеговой воде (в мкг/л) находились, независимо от года пробоотбора в следующих пределах: Pb от 0,5 до 1,2; Zn от 30 до 190; Cu – от 0,5 до 8; Cd – от 0,05 до 1,5; Mn – от 40 до 240. Эти значения превышают фоновый уровень в 2-18 раз. Суммарные уровни накопления Mn, Pb, Zn, Cu, Cd за 2008-2009-2010 г. в твердой и водной фазах снега за весь период исследований показаны на рисунке 2.
а) б)
Рисунок 2 – Уровни накопления тяжелых металлов
в твердой фазе (а) и снеговой воде (б)
Уровни накопления тяжелых металлов в твердой фазе и снеговой воде с каждым годом увеличиваются в связи с постепенным наращиванием объемов промышленного производства: ферромарганца и изделий из стали.
2 Экологическая характеристика отходов Таразского металлургического завода и методы исследования
В разделе диссертации дана детальная оценка экологическим характеристикам: радиоактивности, канцерогенности, растворимости, а также определены их структурные особенности и физико-механические свойства.
Содержание естественных радионуклидов (ЕРН) в твердых отходах характеризуется большим разбросом показателей по эффективной удельной активности. Повышенной (>370 Бк/кг) эффективной удельной активностью отличаются вскрышные породы, хвосты обогащения. Шлаки характеризуются меньшей эффективной удельной активностью ЕРН. Содержание химических элементов в твердых отходах металлургического производства приведено в таблице 1.
Таблица 1 – Содержание тяжелых металлов, мг/кг
| Обозначение элементов | ПДК | Доменный шлак | Стале- плавильный шлак | Отработанные формовочные смеси | Минеральный шлам | Хвосты обогащения | |||||
| min | max | min | max | min | max | min | max | min | max | ||
| Pb | 32 | 400 | 1200 | 336 | 972 | 15,5 | 21,4 | 48 | 932 | 354 | 1123 |
| Cr | 6 | 98 | 202 | 74 | 162 | 2,4 | 7,2 | - | - | 83 | 184 |
| Co | 5 | 22 | 128 | 14 | 112 | 1,4 | 2,8 | 0,82 | 4,3 | 18 | 119 |
| Ni | 35 | 95 | 172 | 68 | 152 | 1,1 | 1,8 | 24 | 36 | 84 | 166 |
| Zn | 23 | 350 | 1180 | 254 | 878 | - | - | 12 | 48 | 318 | 920 |
| Cu | 23 | 520 | 1340 | 315 | 1128 | 4,1 | 12,4 | 24 | 426 | 480 | 1260 |
| As | 2 | 14 | 18 | 10 | 12 | - | - | 1,2 | 1,5 | 12 | 14 |
С применением инфракрасно-спектрального, рентгенофазового и дифференци-ально-термического анализа определен фазовый состав доменного шлака, сталеплавильного шлака, отработанных формовочных смесей, минерального шлама, хвостов обогащения, которые содержат в своем составе оксиды алюминия, кремния, кальция и железа, то есть все необходимые компоненты для производства вяжущих.
С целью определения пригодности отходов с экологической позиции был проведен анализ на содержание радиоактивных элементов: радия – 226, тория – 232 и калия – 40 (таблица 2).
Таблица 2 – Содержание радиоактивных веществ в отходах Таразского металлургического завода
| № п/п | Наименование пробы | Ra – 226 | Th – 232 | K – 40 | Aэфф |
| 1. | Доменный шлак | 122 134 | 114 122 | 112 124 | 132 206 |
| 2. | Сталеплавильный шлак | 122 134 | 110 127 | 106 121 | 124 198 |
| 3. | Отработанные формовочные смеси | 42 61 | 45 67 | 43 64 | 46,4 60,9 |
| 4. | Минеральный шлам | 41 44 | 44 76 | 42 74 | 52 78 |
| 5. | Хвосты обогащения | 142 174 | 134 166 | 128 162 | 152 214 |
| Примечание – В числителе даны минимальные значения, в знаменателе – максимальные. | |||||
Наряду с химическими загрязнителями в отходах металлургического комплекса представлены и радиационные – естественные радионуклиды, которые содержат в своем составе элементы, принадлежащие семействам радия – 226, тория – 232 и калия –40. Содержание естественных радионуклидов по эффективной удельной активности не превышает нормативов для первого класса радиационной опасности.
3 Технологические решения, направленные на снижение экологической нагрузки от накопителей отходов
В разделе диссертации приведены результаты исследований по использованию доменного шлака, сталеплавильного шлака, шламов обогащения, отработанных формовочных песков для получения цементного клинкера, шлакопортландцемента, шлакощелочных вяжущих.
При синтезе цементного клинкера из доменного шлака, шлама обогащения и известняка, смеси обжигали при 1200-1400С в течение 10-60 мин. и исследовали процесс клинкерообразования методом рентгенофазового анализа. В результате выявлены температурные области максимального образования алита и белита. В процессе обжига сырьевой смеси тяжелые металлы связываются с оксидами кремния, алюминия с образованием силикатов свинца, марганца, кадмия, цинка, меди, алюминатов, твердых растворов, стекловидных веществ, а в процессе гидратации они участвуют в образовании гидросиликатов, алюмоферритов кальция.
Также выявлена седиментационная и кинетическая устойчивость известняково-шлаковых шламов, отходов обогащения, их структурно-механические свойства, полидисперсность порошков гранулированных доменных шлаков, шламов и известняка после помола и их реологические свойства. Изучены строительно-технические свойства цементов на основе клинкеров из доменного шлака, шлама обогащения и известняка (прочность, морозостойкость, сульфатостойкость). Установлено, что полученный портландцемент имеет прочность при сжатии 53,8 МПа, морозостойкость F – 150-200, сульфатостойкость – 0,91-0,93. Влияние эффективности отходов ТМЗ как активных минеральных добавок оценивалось по физико-механическим свойствам шлакопортландцементов (сроки схватывания, активность, равномерность изменения объема). Исследования проводились с применением наименее характерных отходов каждой группы с близкими показателями дисперсности.
Введение в состав цемента добавок как доменный шлак, шлам обогащения, отработанный формовочный песок в количестве 15-20% повышает прочность на 12-25%. С увеличением срока твердения до 180 суток активность шлакопортландцемента с добавками возрастает на 16-30%. Шлакопортландцемент с добавкой характеризуется быстрым нарастанием прочности в начальные сроки твердения. Выявлено, что содержащие в составе сырьевых смесей тяжелые металлы: марганец, кадмий, медь, цинк, свинец внедряются в структуру гидросиликатов кальция. В качестве активизаторов твердения шлака, в составе шлакощелочных вяжущих, использовались растворы кальцинированной соды, метасиликата натрия плотностью 1,20 г/см3, содосульфатной смеси (ССС) едкого натрия. Шлак был термообработан при температурах 400С, 500С, 600С, 700С, 800С в течение 10-60 минут, показавший наибольший прирост активности шлака.
Проведенные физико-механические испытания показали, что тепловая обработка шлака в большинстве случаев оказывает положительное влияние на активность шлакощелочных вяжущих и не зависит от вида затворителя. Например, сразу после пропаривания наибольший прирост прочности при использовании в качестве затворителя метасиликата натрия (Rсж – 55,2 МПа) наблюдался в случае термообработки шлака при 500С и составил по сравнению с контрольным образцом 74,7%. Аналогичные исследования были проведены при использовании в качестве затворителя раствора кальцинированной соды (Rсж – 48,9 МПа), раствора NaOH (Rсж – 57,4 МПа), раствора ССС (Rсж – 45,3 МПа).
Результаты определения количества химически связанной воды показали, что термообработка шлака способствует повышению степени гидратации шлакощелочного вяжущего, что свидетельствует о более интенсивном взаимодействии шлака с раствором затворения.
4 Разработка составов тяжелых бетонов на основе отходов ТМЗ
В разделе диссертации проведены исследования свойств отвального доменного шлака и шлакового щебня, полученного в результате измельчения, магнитной сепарации и механической классификации продуктов дробления, модифицированных бетонов с использованием органоминеральной добавки и керамического кирпича, керамзита с использованием угольной мелочи.
Проведены предварительные исследования возможности получения вяжущих из молотого отвального шлака. Для этой цели были исследованы различные способы активации шлака. В качестве активирующих компонентов использовали следующие материалы: гипс строительный; цемент марки ПЦ-400; известь негашеная; жидкое стекло (силикат натрия) с модулем основности 2,8; плотностью – 1385 кг/м3, химический состав: Na2SiO3) – 10,42%, СаО – 0,014%, Fe2O3 + Al2O3 = 0,68%, Fe2O3, – 0,01%; раствор гидроксида натрия – 30%; кремнефторид натрия (Na2SiF6).
Разработана комплексная добавка на органоминеральной основе, которая по своему химическому составу представляет собой комплексный продукт, состоящий из поверхностно-активных натриевых солей метиленбиссульфокислоты и кремнеземистого компонента, из отработанных формовочных смесей. Она обладает пластифицирующим и водоредуцирующим действием, улучшает перекачиваемость и сохраняемость бетонной смеси, повышает прочность, морозостойкость и водонепроницаемость бетона, а также коррозионную стойкость. Зависимость прочности бетона от количества органоминеральной добавки показано на рисунке 3.
– без добавки; – органоминеральная добавка 1%;
– органоминеральная добавка 1,5%; – органоминеральная добавка 2%;
– органоминеральная добавка 3%.
Рисунок 3 – Зависимость прочности бетона
от количества органоминеральной добавки
При введении органоминеральной добавки в количестве 1-3% от массы цемента получили снижение расхода воды на 15-30% и увеличение прочности бетона в возрасте 28 суток достигает 40-80%.
Применение органоминеральной добавки в бетонные смеси и строительные растворы обеспечивает:
- раннюю распалубочную прочность при производстве монолитных работ;
- изготовление бетонов с высокими требованиями по прочности, морозостойкости и водонепроницаемости;
- повышение живучести бетонной смеси.
Угольную, антрацитовую, коксовую пыль использовали для получения керамических строительных материалов: керамического кирпича, керамзита, аглопорита, пеностекла, теплоизоляционных керамических материалов.
Угольная, антрацитовая, коксовая пыль вводилась в состав сырьевой смеси при изготовлении керамического кирпича в количестве от 1 до 5%. Для повышения пластичности смеси в состав вместе с органическими добавками вводили шлам обогащения марганецсодержащих руд в количестве от 1 до 10%.
Ввод в шихту 1-3% угольной мелочи, снижает чувствительность к сушке и обжигу, общую усадку, среднюю плотность, повышает прочность при сжатии и изгибе. Добавка шламов способствует повышению пластичности, что ведет к улучшению качества сырья и готовой продукции. Оптимальное количество угольной мелочи составляет – 3%, шлака – 10%, температура обжига 950-1000С. Совместную добавку из угольной пыли и шлама обогащения руд можно рекомендовать для производства керамзита, аглопорита на основе слабовспучивающего сырья.
Выгорающие добавки (угольная, антрацитовая, коксовая пыль) позволяют снизить среднюю плотность, увеличить прочность, улучшить условия ведения технологического процесса обжига керамических материалов.
5 Разработка комплексной системы управления отходами и эколого-экономическая оценка эффективности и технологии утилизации
В разделе диссертации приведена эколого-экономическая оценка разработанной технологии снижения вредного воздействия Таразского металлургического завода на окружающую среду.
Для эколого-экономической оценки сырья, отходов и произведенных из них строительных материалов предлагается следующая формула:
(3)
где: Пээ – показатель эколого-экономической оценки сырья, отходов и строительных материалов, тг/т; mi – массовая доля радиоактивных загрязняющих веществ, отн. ед.; Aэфф – эффективность удельной активности естественных радионуклидов загрязненного сырья, отхода, строительных материалов; mj – масса химического загрязняющего вещества, содержащее в сырье, отходе или строительных материалов, т; Hnj – норматив платы за выбросы в атмосферу воздуха загрязняющими веществами, тг/т.
Анализ показателей эколого-экономической оценки загрязненности рассмотренных промышленных отходов свидетельствует, что они выше всего у хвостов обогащения и меньше у отработанных формовочных смесей (таблица 3). Основной вклад в значение показателя оценки эколого-экономической загрязненности большинства рассмотренных отходов вносят естественные радионуклиды. Например, для хвостов обогащения 61,2% величины показателя эколого-экономической оценки загрязненности приходится на естественные радионуклиды и 38,8% – на тяжелые металлы. Для доменных шлаков 75% величины показателя эколого-экономической оценки загрязненности приходится на естественные радионуклиды и 25% – на тяжелые металлы, несмотря на их высокое содержание.
Таблица 3 – Показатели эколого-экономической загрязненности промышленных отходов
| № п/п | Наименование отхода | Эколого-экономические показатели загрязненности промышленного отхода, тг/т |
| 1. | Доменный шлак | 112,45 |
| 2. | Сталеплавильный шлак | 103,88 |
| 3. | Отработанныеформовочные смеси | 70,43 |
| 4. | Минеральный шлам | 75,82 |
| 5. | Хвосты обогашения | 158,3 |
Полученные результаты по загрязнености промышленных отходов позволяют с эколого-экономических позиций оценить одновременное присутствие в них тяжелых металлов и радиоактивных веществ, а так же подтверждают возможность исполь-зования для целей предлагаемые математические зависимости.
Размер платы предприятия за установленный лимит выбросов загрязняющих веществ определяется по формуле (4):
П = Mi · P, (4)
где: Mi – лимит выбросов i-го загрязняющего вещества в натуральном измерении, значение которого устанавливается в соответствии с разработанными нормативами ПДВ, т/год; P – норматив платы за выбросы загрязняющих веществ в атмосферу, устанавливаемый за 1 усл. т выброшенных в атмосферу загрязняющих веществ, тг/т.
Расчет платы за выбросы загрязняющих веществ произведен по утвержденным ставкам платы за загрязнение окружающей среды на 2010 год.
Плата за выбросы загрязняющих веществ в атмосферу от стационарных источников на существующее положение, составила:
П = 18236,42· 394 = 7185149 тенге.
Проведен расчет определения экономической оценки ущерба загрязнения атмосферного воздуха от стационарных источников.
Экономическая оценка ущерба от размещения твердых отходов сверхустановленных нормативов определяется по формуле:
(5)
где: Ui – экономическая оценка ущерба от размещения и потребления в зависимости от индекса опасности, тенге; Fфактi – фактический объем размещения и потребления отходов в зависимости от индекса опасности в определенный период времени, т; Fнормi – нормативный объем размещения и потребления отходов в зависимости от индекса опасности в определенный период времени, т; Сотх – ставка платы за размещение 1 тонны и потребления твердых отходов в зависимости от индекса опасности, утвержденная местными представительными органами на текущий год, тг; К1 – коэффициент экологической опасности, К1=1; К2 – коэффициент экологической опасности, К2=1.
Ui=(156930-140870) ·521·1·1=8367260 тенге. (6)
Результаты расчета коэффициента экологической безопасности в результате внедрения природоохранных мероприятий в частности применения их для получения строительных материалов и специальных материалов представлены в таблице 4, которые свидетельствуют об эффективности применения разработанной технологии утилизации отходов.
Таблица 4 – Расчет показателя экологической безопасности
| Наименование | ПДКср.сут,, мг/м3 | ПДКmах, мг/м3 | Сi факт | КЭБ | ||
| до | после | до | после | |||
| Пыль неорганическая | 0,1 | 0,3 | 0,6 | 0,1 | 0,03 | 0,05 |
| Бензапирен | 0,000001 | 0,000002 | 0,000003 | 0,0000008 | 0,000001 | 0,000008 |
Так, коэффициент экологической безопасности для пыли до проведения исследования составляет 0,03, после – 0,05. Для бензапирена до проведения исследования составляет 0,000001, после – 0,000008, что свидетельствует об увеличении показателя экологической безопасности.
На основании проведенных исследований разработана комплексная система управления отходами, которая предусматривает способы безопасного размещения, позволяющая осуществлять их рациональную переработку, оценку наиболее перспективных вариантов управления каждым видом отхода с точки зрения технологической и технической возможности осуществления, предварительную экономическую оценку, анализируемую внешней информацией (законы, нормативы, информация из органов экологического контроля, наличие потребителей данного вида отхода и др.), осуществлением выбора наиболее привлекательных способов переработки.
Заключение
В диссертационной работе дан анализ воздействия Таразского металлургического завода на окружающую среду, выявлены зоны экологического загрязнения и даны эколого-технологические решения, направленные на снижение его вредного воздействия.
Научные и практические результаты заключаются в следующем:
- Проведен анализ производственной деятельности и технологических процессов как источника загрязнения окружающей среды. Выявлено 24 источника выброса загрязняющих веществ в атмосферу.
- Получена математическая модель рассеивания пылегазовой смеси от скорости ветра, направления, концентрации, коэффициента турбулентной диффузии. Условная оценка годового переноса загрязняющего вещества по всем измеренным параметрам Таразского металлургического завода составляет 2639,024 тонн.
3. Проведен мониторинг загрязнения снегового покрова металлами-экотоксикон-тами техногенного происхождения ТМЗ. Установлено увеличение уровня накопления тяжелых металлов в снеговом покрове, связанное с постепенным наращиванием объемов промышленного производства
4. Изучены строительно-технические свойства цементов на основе клинкеров из доменного шлака, шлама обогащения, известняка. Полученный портландцемент имеет прочность при сжатии 53,8 МПа, морозостойкость F – 150-200, сульфатостойкость –0,91-0,93.
5. Разработан состав органоминеральной комплексной пластифирующей добавки на основе суперпластификатора С-3 и отработанных формовочных песков.
- Приведена эколого-экономическая оценка разработанной технологии снижения вредного воздействия Таразского металлургического завода на окружающую среду.
Оценка полноты решений поставленных задач. Поставленная цель и сформулированные задачи исследования, включающие экологическую оценку влияния на окружающую среду, разработку технологии переработки твердых отходов с получением строительных материалов, характеризуются полнотой решения, доведенных до опытно-промышленной проверки в производственных условиях.
Разработка рекомендаций и исходных данных по использованию результатов. Методика оценки экологической обстановки деятельности ТМЗ, качественная и количественная оценка загрязнения по уровню содержания тяжелых металлов и радиоактивных элементов, технология переработки отходов могут быть использованы для решения проблем по охране окружающей среды и рациональному использованию природных ресурсов.
Оценка технико-экономической и экологической эффективности внедрения. Технико-экономическая эффективность разработанной технологии достигается за счет исключения из сырьевой смеси природного компонента глины и использованияпромышленных отходов. При этом одновременно решаются экологические задачи. Экономический эффект при объеме производства 200 тыс. тонн вяжущего в условиях ТОО «АХЕМ INVESTMENT» составляет 99100000 тенге. При внедрении технологии портландцемента, шлакопортландцемента, шлакощелочных вяжущих, бетонов в производство эколого-экономический эффект в год составляет 107467260 тенге.
Оценка научного уровня выполненной работы в сравнении с лучшим достижениями в данной области. Комплексная оценка экологической обстановки в зоне действия ТМЗ, включающая математическую модель переноса пыли, распределения примеси, оценку загрязнения тяжелыми металлами выполнена впервые. Составы полученных вяжущих и бетонов по своим физико-механическим свойствам превосходят аналогичные материалы на основе природного сырья.
Список опубликованных работ по теме диссертации
- Боранкулова Г.С., Бурлибаева Ш.М. Современные методы и средства проектирования информационных систем // Инновационные технологии в совершенство-вании подготовки инженерных и научных кадров: материалы Междунар. науч.-практ. конф. – Тараз, 2006. – С. 112-113.
- Боранкулова Г.С. Мамырова А.К., Джакашова Э.А. Экоинформацион- ные системы как инструмент комплексного мониторинга окружающей среды // Материалы IV практ. конф. молодых ученых, магистрантов, докторантов. – Тараз, 2009. – С.68-71.
- Боранкулова Г.С. Технология бесцементных и малоцементных вяжущих на основе отходов металлургического производства // Инновационное развитие и востребованность науки в современном Казахстане: материалы III Междунар. науч. конф. молодых ученых при фонде Первого Президента Республики Казахстан совета молодых ученых. – Алматы, 2009. – С. 262-263.
- Киргизбаев А.Т., Боранкулова Г.С, Батыков Н.Т. Легкий заполнитель из нефтеотходов и барханных песков // Инновационное развитие и востребованность науки в современном Казахстане: материалы III Междунар. науч. конф. молодых ученых при фонде Первого Президента Республики Казахстан совета молодых ученых. – Алматы, 2009. – С. 307-308.
- Сагындыков А.А., Боранкулова Г.С. Рациональная переработка и использование шлаков Таразского металлургического завода // Вестн. ТарГУ им. М.Х. Дулати. – Тараз, 2009. – №4. – С. 127-131.
- Сагындыков А.А., Боранкулова Г.С., Батыков Н.Т., Киргизбаев А.Т., Талканбаев Е.К. Нефтеотходы в производстве строительных материалов // Комплексное использование минерального сырья. – Алматы, 2009. – №6. – С.130-134.
- Пат. 2009/1464.1 РК: заключение о выдаче. Сырьевая смесь для изготовления керамических стеновых изделий / Сагындыков А.А., Боранкулова Г.С., Киргиз- баев А.Т.; опубл. 11.12.2009.
- Боранкулова Г.С. Сейткулова Э. Модель управления отвалами // Обеспечение экологической безопасности – путь к устойчивому развитию Казахстана: материалы Междунар. науч.-практ. конф. – Тараз, 2010. – С. 211-216.
- Боранкулова Г.С. Переработка и использование твердых отходов Таразского металлургического завода // Будущее Казахстана: Вузы как важный фактор обеспечения социальной стабильности и экономического развития: материалы Междунар. науч.-практ. конф. – Тараз, 2010. – С. 70-73.
- Боранкулова Г.С. Шлакощелочные вяжущие с применением шлаков Таразского металлургического завода // Вестн. КазНТУ им. К.И. Сатпаева. – Алматы, 2010. – №4. – С. 296-301.
- Боранкулова Г.С. Экологическая оценка твердых отходов металлургического производства // Гидрометеорология и экология. – Алматы, 2010. – №2. – С. 83-87.
ТЖЫРЫМ
Боранлова Гаухар Сарсенбайызы
Металлургиялы ндірістегі атты
алдытарды пайдалану технологиясын жасау
25.00.36 – Геоэкология
Диссертациялы жмысты масаты – Тараз металлургиялы зауытыны оршаан ортаа (О) серін экологиялы трыдан анытау жне атты алдытарын пайдалану технологиясын жасау.
Ала ойан масата жету шін тмендегі басты міндеттер аныталан:
- ТМЗ-ны оршаан ортаа зиянды серін анытау жне зерттеу;
- ТМЗ алдытарыны экологиялы жне физика-механикалы сипаттамасын арастыру;
- домналы, болат орытатын ожды деп, портландцемент, ож сілтілі байланыстырушылара айналдыратын технологияларды дайындау;
- ауыр бетондар, йінді ож негізді керамикалы кірпіш, кмір, антрацит, кокс сатарыны, олданылан алыпты мны рамы мен оларды технологияларын дайындау;
- алдытарды олдануды кешенді жйесін жасау жне пайдалану технологиясыны тиімділігін экология-экономикалы жаынан анытау.
Зерттеу нысаны жне зерттеу дістері. Зерттеу нысаны: Тараз металлургиялы зауытыны ндіріс цехтары мен оны атты алдытары: домналы ож, ферросиликомарганец ождары, азу технологиясыны алдытары, ю ндірісіні алдытары, марганец рудаларын байыту шламы, темір рудаларын байыту шламы, кмір, кокс, антрацит сатары. Зерттеу дістері: ионды хромотография, атомды-эмиссионды спектроскопия, спектрлік талдау, рентгендіфазалы жне дифферен-циалды-термиялы талдау.
Жмысты негізгі идеясы азіргі заманы физика-химиялы талдау дістері арылы Тараз металлургиялы зауытыны ауыр металл алдытарыны рамын анытау жне олардан дайындалатын байланыстырушы, бетондар жне керамикалы кірпіштерді дайындау технологиясы болып табылады.
Жмысты ылыми жаалыы:
- турбулентті диффузия, жел жылдамдыы, са блшектерді гравитациялы шгуін ескере отырып тоза тарауыны математикалы лгісі жасалан;
- ар жамылысыны атты жне сйы фазаларыны марганец, орасын, мыс, кадмий сияты ауыр металдарды серінен ластану дрежесі аныталан;
- Тараз металлургиялы зауытыны алдытарынан дайындалатын портланд-цементтік клинкер, ож сілтілі цемент, ож портландцементі, керамикалы рылыс материалдарыны рылымды жасалу ерекшеліктері мен физика-механикалы асиеттері аныталан.
орауа шыарылатын ылыми ережелер:
- жел концентрациясы, баыты мен жылдамдыына байланысты тоза таралуыны математикалы лгісі,
- Тараз металлургиялы зауытыны алдытарынан портландцементті клинкер, ож портландцементі, ож сілтілі байланыстырушылар, бетондар, керамикалы кірпіш ндіру технологиясы.
Зерттеу жмысы нтижелеріні тжірибелік маызы мен оны жзеге асырылуы:
- ТМЗ-ны О-а сері аныталып, алдытарды шектелген клемі жне ндіріс орныны ауіпті категориялары крсетілді;
- домналы ож, байыту шламы, пайдаланылан алыпты оспалар негізінде М-300, М-400 жне М-500 маркалы цемент технологиялары дайындалды;
- йінді ож, кмір, кокс, антрацит сатарыны негізінде жоары тзімді бетондар, керамикалы кірпіш жне керамзитті рамы аныталды;
- алды йінділеріні оршаан ортаа сері аныталып, оршаан ортаа сер ететін экологиялы ысымды тмендетуді жне йінділерді адаалауды лгілері жасалды.
Зерттеу жмысыны ылыми жне тжірибелік нтижелері:
- оршаан ортаны ластаушылар болып табылатын ндірістік жмыс пен технологиялы процестер талданды. Атмосфераны ластайтын заттарды 24 трі аныталды;
- жел жылдамдыы, баыты, концентрациясы, турбулентті диффузия коэффициентінен тозады газ оспасын таратуды математикалы лгісі жасалды. Тараз металлургиялы зауытыны барлы параметрлерге сай ластаушы заттарды тасымалдауды жылды шартты баамы 2639,024 тоннаны райды;
- ар жамылысыны ТМЗ-ны техногенді экотоксиконттар сияты металдармен ластануыны мониторингі жргізілді. нерксіп ндірісі клеміні артуына байланысты ар жамылысында металдарды жиналу дегейіні лаюы аныталды;
- домналы ож, байыту шламы жне к тастан жасалатын клинкер негізінде цементті рылыс-техникалы асиеті арастырылан. ндірілген портландцемент-ті ысымды тзімділігі 53,8МПа, аяза тзімділігі -150-200, сульфатты тзімділігі-0,91-0,93 крсеткіштерін райды;
- С-3 суперпластификаторы мен олданылан алыпты м негізінде органоминералды рама пластифирлі оспаны рамы аныталды;
- Тараз металлургиялы зауытыны оршаан ортаа зиянды серін тмендетуге арналан технологияларды экологиялы-экономикалы баамы келтірілген.
Ендіруді техникалы-экономикалы жне экологиялы тиімділігіні баамы. Дайындалан технологияны техникалы-экономикалы тиімділігі саз балшыты табии компонентін шикізат оспасынан алып тастаанда жне ндіріс алдытарын пайдалананда жзеге асады. Бан оса экологиялы мселелер де шешіледі. 200 мы тонна клеміндегі байланыстырушы заттарды ндіруді экономикалы тиімділігі «AXEM INVESTMENT» ЖШC-те 99100000 тегені райды. ндіріске портландцемент, ож портландцементін, ож сілтілі байланыстырушы заттар мен бетондарды ендіруді экологиялы-экономикалы тимділігі жылына 107467260 тегені райды.
SUMMARY
Borankulova Gauhar Sarsenbaevna
Working out of utilization technology
of hard wastes of metallurgical industry
25.00.36 – Geoecology
Aim of investigation is in the ecological estimation of the influence of Taraz metallurgical factory on the environment and working out the utilization technology of hard wastes.
For reaching the aim the following objectives are revealed:
- to study and estimate the harmful influence of TMF on the environment;
- ecological and physical-mechanical characteristics of wastes of TMF and methods of investigation;
- working out the technology of remaking the blast, steel smelting slags in portlandcement, slagportlandcement, slag alkaline bindings;
- working out the complex system of management the wastes and ecological-economical estimate of effectiveness of utilization technology.
Objects and methods of investigation. The object of investigation is industrial shops of TMF and its hard wastes: blast slags, slags of ferro-silico-marganese, wastes of opening technology, wastes of founding industry, shlam of concreting of manganese ores, iron, coke, anthracite small things. Methods of investigation is ionic chromatography, atomic-issue spectroscopy, infra-red spectral analysis, X-ray-phase and differential-thermal analysis.
The main idea of investigation is in defining the containing the hard metals in the wastes of Taraz metallurgic factory with the help of modern methods of physical and chemical analysis and working out the technology of getting the bindings, concretes, ceramic bricks from them.
Scientific novelty of investigation.
- the mathematic model of transferring of dusts with the account of the turbulent diffusion, the speed of wind, gravitation of settling the small parts is built;
- the polluting level of hard and water phase of snowy cover by hard metals of manganese, lead, zinc, copper and cadmium is fixed;
- the peculiarities of structural forming, physical-mechanical property of portlandcement klinker, slag alkaline cements, slagportlandcement, ceramic building materials having got with the help of wastes of Taraz metallurgic factory is defined.
Scientific thesis taking to defense:
- analysis and estimation of polluting level of atmospheric air, water and soil in the result of TMF;
- mathematic models of spreading the dusts depending on concentration, direction and speed of wind;
- technology of getting the portlandcement klinker, slagportlandcement, slag alkaline binding, concretes, ceramic bricks from the wastes of Taraz metallurgic factory.
Practical value of investigation and its realization:
- the estimation of influence of TMF on the environment is made and the size of limited permissible wastes and the categories of danger of enterprise are held;
- the technology of cement of M-300, M-400, M-500 brand on the basis of blast slag, shlam of concreting, remade mould mixes is worked out;
- the content of high solid concretes, ceramic bricks, ceramzites on the basis of fallen slags, coal, coke, anthracite small things is worked out;
- the ecological-economic estimation of damage causing by the falling the wastes into the environment is held and the model of managing the falls allowing to reducing the ecological loading on the environment.
Scientific and practical results are in the following:
- Тhe analysis of industrial activity and technological processes as the source of polluting the environment is held. 24 polluting substances thrown to the air are revealed;
-The mathematic model of spreading the dusty-gas mixture from the speed of wind, direction, concentration, factor of turbulent diffusion taken. The conditional estimation of a year transferring of polluting substance in all measured parameters of Taraz metallurgic factory forms 2639,024 tons;
- The monitoring of polluting the snowy cover by metals such as echotoksiconts of technogenic origin of Taraz metallurgic factory is held. Increasing the level of accumulating the hard metals in the snowy cover connected with gradual growth of the volume of the industrial production is held;
- The building-technical property of cements on the basis of clinkers from the blast slags, shlag of enriching, limestones is taken. Taken portlandcement has its solidity at compression 53,8 MPa, frost resistance is F-150-200, sulfate resistance is – 0,91-0,93;
- The content of organic mineral complex plastifying additives on the basis of superplastificator C-3 and worked forming sands is worked out;
- The ecological-economic estimation of worked technology of reducing the harmful influence of Taraz metallurgic factory on the environment.
Estimation of technical-economic and ecological effectiveness of application. The technical-economic effectiveness of worked technology is reached at the expense of excluding the clay from the mixture of natural component and using the industrial wastes. At the same time the ecological objectives are fulfilled. The economical effect at the volume of industry 200 thousand tons of binding in conditions of “AXEM INVESTMENT” Ltd is 99100000 tenge. Ecological-economic effect is 107467260 tenge.
Подписано в печать 27.09.2010 г.
Формат 60х80 1/16. Уч.-изд. л. 1,0. Усл. п. 1,0.
Тираж 100. Заказ 247.
Издательство «Тараз университеті»
ТарГУ им. М.Х. Дулати
080000, г. Тараз, ул. Толе би, 60
