Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Повышение экологической безопасности технологий свинцово-плавильного производства

ВАК РФ 11.00.11, Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Автореферат диссертации по теме "Повышение экологической безопасности технологий свинцово-плавильного производства"

На правах рукописи

РГВ од

, . Г'.'" ■ ' *

Пастухова Лилия Германовна с

Повышение экологической безопасности технологий свинцово-плавильного производства

Специальность: 11.00,11 - Охрана окружающей среды и рациональное

использование природных ресурсов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Екатеринбург 2000

Работа выполнена на кафедре теплогазоснабжения и вентиляции Уральского государственного технического университета.

Научный руководитель; кандидат технических наук,

профессор Шумилов Р.Н.

Официальные оппоненты: доктор химических наук,

профессор Никифоров А.Ф.

кандидат технических наук, доцент Килин П.И.

Ведущая организация: Екатеринбургский институт

охраны труда ФНПР.

Защита состоится « 22 » июня 2000 г. в 10.00 часов на заседании диссертационного совета Д 063.35.02 по присуждению ученой степени кандидата технических наук по специальности 11.00.11 при Уральской государственной лесотехнической академии адресу Екатеринбург, Сибирский тракт, 37, ауд. 1-401.

Отзывы на автореферат в 2-х экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим присылать по адресу 620032, Екатеринбург, Сибирский тракт, 37, в диссертационный совет Д 063.35.02.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Уральской государственной лесотехнической академии.

Автореферат разослан « мая 2000

г.

Ученый секретарь диссертационного совета^-Д-—

кандидат технических наук, доцент Никулина Г.В.

КЪЧМ-вЪ9ч0

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Загрязнение атмосферы свинцом, обусловленное работой промышленных предприятий, составляет 24% от загрязнения антропогенными источниками, которое превышает естественное поступление свинца в атмосферу в 1,8 раза. В районе завода, выплавляющего свинец, содержание его в атмосферном воздухе в 103...108 раз превышает естественный фон. К вторичным эффектам процессов переноса свинцовых загрязнений из атмосферного воздуха можно отнести накопление его снежным покровом, почвой, водоемами. Ущерб от этого больше, чем первичное загрязнение атмосферы. Свинец - яд, действующий на все живое, вызывающий изменения во всех органах и системах человеческого тела. Свинец способен накапливаться в организме. Вдыхание свинцовой пыли является наиболее простым путем поступления свинца в организм человека. Поэтому проблема снижения выбросов свинцового производства в атмосферу представляется актуальной.

Получают свинец пирометатлургическим способом: черновой свинец путем шахтной или кивцетной плавки, особо чистый - рафинированием. При производстве свинца происходит загрязнение воздушной среды производственных помещений и атмосферы преимущественно соединениями свинца, что создает неблагоприятные условия труда и ведет к загрязнению атмосферы. К мероприятиям, направленным на улучшение состояния воздушной среды, относятся совершенствование технологии с целью сокращения выделения вредных веществ, вентиляция, а также мероприятия, сокращающие выбросы загрязнителей в атмосферу. Результаты обследования цехов свинцового производства свидетельствуют о недостаточной эффективности применяемых способов вентиляции. Загрязненный воздух выбрасывается через фонари без очистки, что способствует поступлению свинца в приземный слой атмосферы промышленных территорий и ограничивает использование наружного воздуха. Переход к механической вентиляции требует затрат на вентиляционное оборудование, обработку приточного и очистку удаляемого воздуха. Снижение затрат может быть достигнуто за счет минимизации объемов вентиляционных выбросов, сокращения затрат на очистку выбрасываемого воздуха, экономии производственных площадей. При этом возможно повышение экологической безопасности свинцового производства. Особую актуальность приобретают вопросы более детального учета всех источников выделения свинца и особенностей распространения его в воздушной среде помещений и в атмосфере.

В настоящее время отсутствуют данные о выделении свинца при его производстве на разных стадиях технологического процесса. Ввиду токсичности свинца предельно допустимая концентрация составляет 0,01 мг/м3, и выделение его в воздух в количестве всего 1 мг/с требует для разбавления не менее 360 ООО м3/ч свежего воздуха. Поэтому оценка интенсивности выделения свинца является весьма актуальной. Также недостаточно изучены и требуют дополни-

тельных исследований вопросы распространения загрязнений в воздухе помещений и атмосферы.

Исследования проводились по заданию института Казгипроцветмет для технико-экономического обоснования реконструкции вентиляции плавильного и рафинировочного цехов в связи с переводом свинцового завода Усть-Каменогорского свинцово-цинкового комбината (УКСЦК) на автогенную технологию в соответствии с х/д НИР №19-88 от 02 ноября 1988 г. «Разработка решений по вентиляции плавильного цеха УКСЦК к ТЭО перевода свинцового завода на автогенную технологию» и х/д НИР №27д от 28 мая 1991 г. «Санитарно-гигиеническая оценка условий труда, исследования и разработка решений по вентиляции цеха рафинирования свинцового завода УК СЦК».

Проект НИР по рассматриваемой проблеме в 2000 г. включен на конкурсной основе в программу «Научные исследования высшей школы по экологии и рациональному природопользованию».

Цель и задачи исследований. Целью диссертационной работы явилось повышение экологической безопасности свинцового производства путем совершенствования методов организации технологического процесса и вентиляции.

Достижение поставленной цели потребовало решения следующих задач: •изучение и совершенствование организации технологического процесса; •разработка методов прогнозирования загрязнения воздуха свинцом; •снижение загрязнения окружающей среды путем совершенствования вентиляции;

•разработка рекомендаций по повышению экологической безопасности свинцового производства.

Объект исследования: воздушная среда помещений плавильных и рафинировочных производств, а также приземный слой атмосферы промышленной зоны и жилой застройки.

Предмет исследования: процессы тепломассообмена на границе свинцового расплава и воздуха; процессы переноса свинец содержащих примесей в воздушной среде помещений; процессы рассеивания выбросов свинцовой пыли в атмосферном воздухе.

Методы исследований. Решение поставленных задач потребовало проведения экспериментальных исследований в производственных и лабораторных условиях с применением методов физического и математического моделирования.

Научная новизна. На основании положений кинетической теории газов получена зависимость для определения коэффициента диффузии паров металлов в азот с учетом температуры, молекулярной массы металла и размеров его молекул. Получены новые данные об интенсивности испарения свинца на разных стадиях технологического процесса получения и рафинирования свинца.

Разработана математическая модель остывания поверхности расплавов при их транспортировке в ковшах различной емкости, позволившая определить динамику испарения свинца с поверхностей расплавов с учетом нестационарных условий тепломассообмена.

Научные положения, выносимые на защиту.

1. Определение интенсивности поступления свинца от оборудования.

2. Определение концентраций свинца в воздушной среде помещений.

3. Определение экологического и экономического ущерба от загрязнения окружающей среды свинцом.

4. Рекомендации по повышению экологической безопасности свинцового производства.

Достоверность полученной аналитической зависимости для определения коэффициента диффузии металла в азот подтверждается хорошей сходимостью расчетных значений с опубликованными экспериментальными данными. Достоверность определения интенсивности выделения свинца от оборудования подтверждается совпадением результатов натурных исследований концентраций свинца в воздухе помещений, проведенных как с участием автора, так и другими исследователями, с концентрациями, полученными в результате реализации математической модели воздухообмена.

Основные научные и практические результаты, полученные лично автором.

• На основании положений кинетической теории газов получена зависимость для определения коэффициента диффузии паров металлов в азот с учетом температуры, молекулярной массы металла и размеров его молекул.

• Разработана математическая модель остывания поверхности расплавов при их транспортировке в ковшах различной емкости, позволившая определить динамику испарения свинца с поверхностей расплавов с учетом нестационарных условий тепломассообмена.

• С использованием метода аналогии процессов тепло- и массообмена получены новые данные об интенсивности испарения свинца на разных стадиях технологического процесса его получения. На основе натурных исследований получены данные об интенсивности загрязнения воздушной среды свинцом при его рафинировании.

• Количественно и качественно обоснована экологическая опасность свинцового производства, определены валовые поступления свинца в окружающую среду, что позволило определить экономический ущерб от загрязнения окружающей среды.

• Результаты исследований включены в ТЭО реконструкции плавильного цеха УКСЦК в связи с переходом на автогенную технологию. Разработан технологический регламент реконструкции вентиляции рафинировочного цеха УКСЦК, а также рекомендации по повышению экологической безопасности свинцового производства.

Практическая ценность. Предложена методика определения коэффициента диффузии паров металла с учетом температуры и его молекулярных характеристик. Разработаны предложения по изменению технологического регламента и рекомендаций по расчету и организации воздухообмена. Разработаны методы повышения экологической безопасности свинцового производства, позволяющие обеспечить нормируемые параметры внутреннего воздуха производственных помещений и предотвратить выбросы неочищенного воздуха плавильных и рафинировочных цехов через фонарь, содержащие соответственно 1,14 и 3,3 т свинца в год, формировавшие прирост концентраций свинца в приземном слое атмосферы до 0,12 мг/м3. Годовой экономический эффект от внедрения предлагаемых решений составит 3,234 млн. руб., предотвращенный ущерб - 6,804 млн. руб./ год.

Внедрение результатов исследований. Результаты работы использованы институтом Казгипрсцветмет в ТЭО реконструкции свинцового завода УК СЦК. Основные положения рекомендаций включены в "Санитарные правила для производства и применения свинца", разрабатываемые НИИ гигиены и профзаболеваний МЗ Казахстана. Результаты исследований внедрены и используются институтами Казгипроцветмет (г. Усть-Каменогорск), ЦНИПП (г. Березовский Свердловской обл.), НИИ охраны труда ВЦСПС (Санкт-Петербург), НИИ морской гигиены (Санкт-Петербург), заводом свинцовых аккумуляторов г. С.-Петербурга, включены в учебное пособие проф., к.т.н. Р.Н.Шумилова.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на межрегиональной конференции в г. Челябинске в 1990 г., на научно-практических конференциях УПИ в 1988, 1989, 1997 гг., на IV и V съездах Ассоциации инженеров по отоплению, вентиляции, кондиционированию воздуха, теплоснабжению и строительной теплофизики (АВОК) в г. Москве в 1995 г. и 1996 г., на международных конференциях «Научно-практические аспекты управления качеством воздуха» - «Воздух-95» и «Воздух-98» в г. Санкт-Петербурге в 1995 г. и 1998 г., на региональной научно-практической конференции "Актуальные проблемы эколого-географического изучения Урала для целей оптимизации природопользования и регионализации образования" в г. Екатеринбурге в 1997 г., на научно-технических совещаниях при главном инженере Казгипроцветмет в 1990 и 1991 гг., совещаниях при директоре свинцового завода УК СЦК в 1990 и 1991 гг. Результаты работы представлялись на выставку НТО Стройиндуст-рии 1989 г., где была присуждена Первая премия, а также на всероссийский конкурс на лучшую научную работу студентов по разделу "Охрана труда" и были отмечены почетной грамотой.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 печатных работ, из которых 9 общим объемом 3,17 п.л. раскрывают основное ее содержание.

Структура и объем работы. Диссертация содержит 117 стр. текста, в том числе 21 таблицу, иллюстрирована 30 рисунками и состоит из введения, 5-ти

глав, заключения, 6-ти приложений на 30 стр. Список использованных литературных источников включает 115 наименований.

Основное содержание работы

Производство свинца осуществляется в две стадии: получение чернового свинца и последующее его рафинирование. Черновой свинец получают в плавильных цехах путем шахтной плавки свинцового агломерата либо путем автогенной плавки свинцовых концентратов в аппаратах КИБЦЭТ-ЦС.

Технологический процесс плавления свинца сопровождается выделением значительных объемов отходящих газов плавильных агрегатов. Для улавливания вредных веществ от узлов переливов расплавов используются вентилируемые укрытия, поворотные и стационарные зонты, бортовые отсосы и др. Вентиляционные выбросы и отходящие газы плавильных агрегатов подвергаются очистке и выбрасываются в атмосферу через дымовую трубу. Однако основной воздухообмен в цехе осуществляется за счет аэрации через открытые ворота, оконные проемы и светоаэрашюнные фонари. При этом состояние атмосферы промышленной территории и воздушной среды производственных помещений не отвечает требованиям норм.

Рафинирование чернового свинца - многостадийный, полностью открытый процесс, заключающийся в огстое расплавов и механическом удалении с помощью кранов всплывших шлаков и пен. При этом происходит интенсивное загрязнение производственной среды свинцовой пылью. Вентиляция рафинировочных цехов осуществляется путем аэрации, что приводит к интенсивному загрязнению приземного слоя промышленной площадки вредными веществами. выбрасываемыми через фонари.

Разработке теоретических основ вентиляции помещений с теплогазовыде-лениями и проблемам охраны атмосферы посвящены работы С.Е. Бугакова, В.М. Эльтермана, В.Н. Талиева, М И. Гримитлина, Г.М. Позина, Р.Н. Шумилова, Ю И. Толстовой, В.А. Четкова, Л.К. Энгелья, В.М. Рудмана и др.

Для прогнозирования загрязнения окружающей среды требуются данные об интенсивности выделения вредных веществ от оборудования. Зачастую технологический регламент не содержит подобных сведений, и проблема подготовки исходных данных для определения воздухообмена приобретает особую актуальность.

Температуры расплавов в плавильном цехе варьируют в пределах 800... 1350 °С, а в рафинировочном 330...800 °С, что выше температуры плавления свинца 327,5 °С. Литературные данные о парциальном давлении свинца свидетельствуют о его летучести. Основным механизмом загрязнения воздуха свинцом является его испарение с поверхности расплавов. Для разработки методики распета испарения свинца с, поверхности расплава используем метод аналогии процессов массо- и теплопереноса. Массоперенос на границе двух фаз выразим через скорость переноса массы и разность концентраций

■ (П

где С - интенсивность испарения, кг/с; - скорость переноса массы, м/с; 5 -площадь поверхности расплава, занимаемая атомами свинца, м2; - концентрация насыщенных паров свинца у поверхности расплава, кг/м3; с0 - концентрация паров свинца в окружающем воздухе, кг/м3.

Из аналогии процессов тепло- и массопереноса следует, что

ул=Ул- ■ (1УаУ, (2)

где V,? - скорость переноса тепла, определенная по условиям на поверхности расплава, м/с; О - коэффициент диффузии, м2/с; а$ - коэффициент температуропроводности воздуха при температуре расплава, м2/с; п - показатель степени по критериальному уравнению теплообмена.

Концентрация насыщенных паров у поверхности расплава находится из уравнения газового состояния

где Рев - парциальное давление насыщенных паров свинца над поверхностью расплава чистого свинца, Па; В - барометрическое давление, Па; р5 - плотность воздуха при температуре расплава, кг/м3.

Использование приведенной методики расчета предполагает знание коэффициента диффузии и парциального давления паров свинца. На основе кинетической теории газов была получена зависимость для определения коэффициента диффузии паров свинца в воздух.

Т>3/2

где а, Ъ - константы: <3=8,27-10~29, ¿=1,098-10"'°; Г\ - радиус молекулы вещества паров, м.

Как видно из (4), коэффициент диффузии испаряющихся в воздух веществ зависит от температуры, молекулярной массы и радиуса молекул вещества паров. Коэффициенты диффузии в м /с по (4) в сопоставлении с литературными данными (в скобках): натрий при Т- 526,5 К - 7,52-Ю""5 (6,8-10^); калий при Т= 723 К - 7,2-Ю'5 (10,3-Ю'5); ртуть при Т= 614 К - 4,16-Ю"5 (4,73-Ю"5). Коэффициент диффузии паров свинца в воздух

Орь^Г2,24-Ю^/2. (5)

Предлагаемая методика позволяет определить интенсивности испарения свинца.

Разработана математическая модель остывания расплава в ковше, в основе которой лежит решение, полученное для температуры поверхности остывающего шара, дополненное учетом лучистого теплообмена. Данная математическая модель была реализована в расчете остывания расплавов шлака, штейна, свинца в ковшах различной емкости (рис.1). Полученные результаты подтвер-

ждают необходимость учета нестационарности при расчете количества испаряющегося свинца и позволяют определить динамику его испарения из ковшей (рис.2).

¡400

юоо

!

г

1

600

¿03

шлаг*■

У шптеагс.

/ сеа/гец

V

ч

- — -

|ч ю* ю*

i I

Времяа мил

% I

тг /о 1

Ю-'

го*

/о

ю

г4

1

<Т*Ч

ш тейп ■

— ■с с&инец.

\ "Чг-

—^ —\ ,—^

^— \

\ -V —X

Зр&ЧЯ, мин.

Рис.

1. Остывание поверхности расплава в Рис. 2. Динамика испарения свинца с ковшах объемом 4 м3 (шлак), 1 м2 поверхности расплавов.

3,2 мЛ (штейн) и 1,6 м3 (свинец).

Закономерности выделения свинца с поверхности расплава позволяют сделать вывод, что происходит быстрое остывание и снижение количества поступающего в воздух свинца. Выдержка ковшей под укрытием после заполнения способствуют уменьшению загрязнения воздушной среды.

С целью определения общего количества свинца, поступающего в плавильный цех, был проведен хронометраж транспортных потоков ковшей с расплавами между плавильными агрегатами. Рассчитано общее количество поступающего в воздух свинца для двух вариантов организации технологического процесса: с выдержкой ковшей под укрытием системы местной вытяжной вентиляции в течение 1 мин. и без выдержки. Выявлена возможность снижения выделений свинца с 36 до 1 мг/с.

Рафинирование ведется при сравнительно невысоких температурах, когда испарение не играет существенной роли в загрязнении воздушной среды. В то же время концентрации свинца в воздухе рафинировочного цеха значительно превышают ПДК. Для определения количественных характеристик загрязнения воздушной среды цеха рафинирования автором были выполнены натурные обследования. Выявлено, что интенсивным пылеобразованием сопровождается процесс механического разрушения шлаковых корок расплава в котлах. Перенос пыли свинца от рафинировочных котлов происходит конвективными потоками. Поступления свинца и пыли оценивались по разности концентраций в конвективном потоке и вне его и расходу воздуха в конвективном потоке (Таблица). Установлено, что общее количество свинца, выделяющегося в рафинировочном цехе, составляет 100 мг/с.

Полученные данные о количестве аэрозолей свинца, поступающих в пла-

вильный и рафинировочный цехи от оборудования, позволяют прогнозировать загрязнение воздушной среды помещения и атмосферы. С этой целыо разработана .методика расчета распределения концентраций по объему помещения. Выделение свинца по стадиям процесса рафинирования

Наименование технологической операции Максимальная температура расплава, "С Выделения свинца от одного котла, мг/с

Набор свинца 800 23.3

Обезмеживание: 500... 600 1,3...10,0

I щелочное рафинирование 600 4,8

Обессеребрипание: 330...540 1.3...12.5

Обестеллуривание; J80 0,5... 5,0

Обезвисмучивание: 380 0,7...6,5

11 шелочное рафинирование: 380 ..550 0.4 ..16,0

В основу данной методики положен метод, использующий приближенные »математические модели тепловоздушных процессов в помещениях. Эти модели представляют собой системы уравнений тепловых и материальных балансов для характерных объемов и поверхностей, на которые делятся помещения. Расчетная схема циркуляции воздушных потоков в плавильном цехе (рис.3) разработана в соответствии с данными натурных наблюдений. При транспортировке ковшей в верхнюю зону цеха поступают пары свинца и ассимилируются воздухом конвективного потока над укрытием технологического оборудования. Конвективный поток, имеющий на уровне покрытия цеха расход Л/№ опускается вниз, где смешивается с воздухом, отсоединяющимся от приточных струй. В результате образуется смесь с концентрацией Сср, которая идет на подпитку приточных струй и конвективного потока.

Минимальное количество воздуха, необходимое для разбавления свинца до ПДК определяется необходимостью компенсации приточным воздухом удаляемого местной вытяжной вентиляцией воздуха. Для компенсации удаляемого воздуха ХА/вит в рабочую зону подается приточный воздух в количестве Мщ.—2МШТ с концентрацией сщ.. На выходе из рабочей зоны расход в приточной струе составит А/Пр + АМпр. Выделим в качестве характерных объемы рабочей зоны цеха, циркуляционного потока над оборудованием и помещения в целом и запишем для этих объемов уравнения газовоздушного баланса:

рабочая зона

Р_1г,рСлрЛ4р + рЛрСсрДМпр + р-!срссрМк = р 'рзСрз(Мпр + АМпр + Мк), (6)

циркуляционный поток р"'цСцМц + р-1рзсрзАА/пр = р-1СрССр (Ми+АМпр), ■ (7)

объем помещения

р-'пр^уМф + С = ' (8)

Решение системы уравнений позволяет определить концентрации свинца в

воздухе рабочих зон. Если полученное значение срз превышает ПДК в рабочей зоне, необходимо увеличивать воздухообмен, Однако это потребует устройства дополнительных вентиляционных систем и оборудования, что связано с капитальными затратами и с энергозатратами на подготовку (нагревание), транспортировку и очистку дополнительного количества воздуха.

Другим способом уменьшения загрязнения воздушной среды цехов является совершенствование технологии. Так, реализация предложения по отстою ковшей с расплавами под вентиляционным укрытием не менее 1 мин. позволяет снизить поступление аэрозолей свинца в воздух плавильного цеха с 36 мг/с до 1 мг/с. При этом предельно допустимые концентрации в рабочих зонах цеха обеспечиваются без дополнительного количества чистого воздуха для разбавления вредных веществ до ПДК.

Однако в рафинировочном цехе снизить количество свинца, поступающего в воздушную среду, за счет отстоя не удается, так как здесь причиной загрязнения воздушной среды являются конвективные потоки над котлами, выносящие пыль свинца при операциях перемешивания расплавов, удаления шлаковых корок с помощью кранов и др. Решая систему уравнений (6) - (8) для условий рафинировочного цеха при заданных значениях концентраций в рабочей зоне, определили количество воздуха для разбавления поступившего свинца до ПДК. При этом установлено, что если количество удаляемого воздуха будет равно расходу в конвективных потоках на уровне покрытия 660 кг/ч, то нормируемые концентрации свинца будут достигнуты при любом значении интенсивности загрязнения воздуха свинцом.

Необходимость подачи больших объемов воздуха связана с проблемой его распределения без нарушения сложившейся в помещении циркуляции при соблюдения нормируемой подвижности воздуха рабочей зоны. Выбор способа подачи воздуха осуществлялся на основании данных физического моделирования. Целью исследований на физической модели было получение качественной картины циркуляции воздушных потоков при различных схемах распреде-

20.30

Рис. 3. Обобщенная схема циркуляции воздушных потоков в плавильном цехе: 1 - укрытие оборудования с местным отсосом; 2 - воздухораспределитель; 3 - общеобменная вытяжка; 4 - транспортирующий ковш; ---- - - границы рабочих зон и конвективных потоков.

ления воздуха в рафинировочном отделении, а также выбор оптимального варианта воздухораспределе-ния, при котором не происходит сдува конвективных струй над котлами.

Для этого использовали метод визуализации воздушных течений, основанный на изменении коэффициента преломления светового луча в воздухе разной плотности. Исследования проводили на теневом приборе ИАБ-451, оптическая система которого позволяет вести непосредственное наблюдение при проектировании изображения на экран, а также фотосъемку процессов. Модель рафинировочного отделения была изготовлена в масштабе 1:200 (рис. 4). В соответствии с принципами приближенного моделирования выполнялись условия подобия теплопотерь и тепловыделений.

Нагреватели, имитирующие котлы, были сконструированы из электроламп необходимого диаметра и мощности. Для измерения расхода приточного воздуха применяли ротаметры и камеру давления с коллектором. Подача воздуха производилась от аспираторов А-422, позволяющих регулировать расход в необходимых пределах.

Модель помещалась , в пространственную рамку с плоскопараллельными оптическими стеклами. Визуальные наблюдения и фотографирование производили при установившемся тепловом режиме после прогрева модели. В результате выполненных исследований уточнена схема воздухораспределения и определены максимальные объемы подаваемого воздуха в рабочую и в верхнюю зоны (рис. 5).

Для определения экологического ущерба от загрязнения окружающей среды выбросами через фонари плавильного и рафинировочного цехов свинцового производства в количестве соответственно 36 и 100 мг/с сделан расчет рас-

Рис. 4. Схема экспериментальной установки. 1 - электронагреватели; 2 - воздухораспределители панельного типа; 3 - воздухораспределители для подачи воздуха в верхнюю зону; 4 - вытяжной проем; 5 -коллекторы приточного воздуха; 6 - тепловая изоляция.

03000

сеивания выбросов в атмосферном воздухе с учетом влияния застройки и определены концентрации свинца в приземном слое атмосферы. Результаты расчетов показали, что максимальный суммарный прирост концентрации свинца, формируемый за счет выбросов из аэрационных фонарей плавильного и рафинировочного цехов, Рис 5 Схема циркуляции воздушных потоков в рафини-составляет 0,12 мг/м", ровочном цехе: 1 - рафинировочный котел; 2 -

что В 40 раз превышает приточная система; 3 - воздухораспределители; 4 -

норму. Прирост концен- вытяжная система; 5 - управляющие струи.

трации свинца в приземном слое атмосферы в наиболее удаленных точках промышленной территории от рассматриваемых источников выбросов, при неблагоприятном направлении ветра составляет 0,035 мг/м3, что превышает предельно-допустимое значение для промышленных территорий почти в 12 раз. Это обстоятельство исключает использование воздуха территории предприятия в качестве приточного для вентиляции цехов без предварительной очистки.

Прирост концентрации свинца в атмосферном воздухе по мере удаления от источника загрязнения снижается крайне медленно. Так, на границе жилой зоны оба рассматриваемых цеха формируют прирост концентрации 0,003 мг/м3, а в центре населенного пункта - 0,0004 мг/м3. Это выше допустимых значений соответственно в 11 и 1,3 раза. Достижение предельно допустимого значения прироста концентрации свинца для населенного пункта происходит только на расстоянии 5 км от источника выброса. При этом следует иметь в виду, что такая загрязненность, составляющая 100% от допустимого уровня (0,0003 мг/м3), не учитывает вклад других источников выделения свинца. Отсюда можно заключить, что использование аэрации как способа вентиляции цехов свинцово-плавильного производства недопустимо по условиям рассеивания выбросов.

В результате загрязнения атмосферного воздуха при производстве свинца происходит загрязнение почв и водоемов. Это связано с выпадением аэрозолей свинца в почву, а затем, с дождевыми стоками в открытые водоемы. По нашим оценкам только за счет выбросов плавильного и рафинировочного цехов в водоемы и почву поступает до 4,5 т свинца в год.

Выбросы неочищенного воздуха плавильного и рафинировочного цеха наносят экономический ущерб. Величина совокупного ущерба от загрязнения атмосферы и вторичного загрязнения водоемов составляет 2,198 млн. руб/год для

плавильного и 5,068 млн. руб./год для рафинировочного в текущих ценах. Сумма ущерба взимается с предприятий в виде платы за выбросы с целью финансирования программ, направленных на восстановление природных ресурсов и совершенствование технологии.

Выполненные исследования позволили предложить мероприятия, направленные на повышение экологической безопасности свинцового производства. К ним откосятся исключение выбросов неочищенного воздуха через фонари, снижение объемов удаляемого воздуха, выдержка ковшей с расплавами перед их транспортировкой, позволяющая снизит поток загрязнения воздуха свинцом с 36 до 1 мг/с.

Полученные результаты включены в технико-экономическое обоснование реконструкции свинцового завода УК СЦК в связи с переходом на автогенную технологию. На основе проведенных исследований разработан технологический регламент проектирования реконструкции вентиляции цеха рафинирования свинца УК СЦК. Разработанные рекомендации переданы в НИИ гигиены и профзаболеваний МЗ Казахстана для включения в «Санитарные правила для производства и применения свинца».

Результаты выполненных исследований были реализованы в рекомендациях по повышению экологической безопасности свинцового производства и переданы в Казгипроцветмет в виде технологического регламента реконструкции вентиляции цеха рафинирования, а также в виде материалов для включения в «Санитарные правила для производства и применения свинца».

Экологический эффект от предлагаемых мероприятий заключается в предотвращении выбросов через аэрационный фонарь плавильного цеха, составлявший 36 мг/с (1,14 т/год). Замена аэрационного фонаря в рафинировочном цехе системой вытяжной вентиляции с последующей очисткой позволяет устранить выброс свинца в количестве 100 мг/с (3,3 т/год). В результате этого снижается загрязнение приземного слоя атмосферы промплощадки и зоны жилой застройки.

Разработанные решения позволяют снизить экономической ущерб от загрязнения окружающей среды с 7,266 до 0,462 млн. руб./год и получить экономической эффект в размере 3,234 млн. руб./ год в текущих ценах.

Основные выводы

1. Производство свинца сопровождается интенсивным загрязнением окружающей среды. В результате обследования плавильного и рафинировочного цехов установлены количественные характеристики и динамика загрязнения воздушной среды свинцом на разных стадиях технологического процесса. Установлено, что применяемые способы снижения загрязнения воздуха с помощью местной и естественной вентиляции не обеспечивают нормируемых параметров воздушной среды.

2. На основе кинетической теории газов и аналогии процессов тепломассообмена разработана методика расчета коэффициента диффузии свинца в воз-

Г5

дух и раскрыты закономерности испарения свинца с поверхности расплавов. Установлена существенная зависимость интенсивности испарения от температуры.

3. Разработанная математическая модель движения воздушных потоков, позволяющая прогнозировать распределение концентраций свинца в объеме помещения. Для плавильного цеха обоснована возможность минимизации расхода воздуха па вентиляцию за счет снижения поступления свинца при выдержке ковшей под вентилируемыми укрытиями. Для рафинировочного цеха определено количество приточного воздуха, необходимого для разбавления загрязнений до ПДК.

4. Расчетом рассеивания выбросов аэрозолей свинца установлено, что аэраци-онные фонари плавильного и рафинировочного цеха являются источниками загрязнения окружающей среды. Так, максимальный прирост концентрации свинца, наблюдаемый на промышленной территории предприятия, составляет 0,12 мг/м3, что выше допустимого значения в 40 раз. Прирост концентрации на прилегающей территории населенного пункта может достигать 0,0033 мг/м3, что выше нормы в 11 раз.

5. Выявлено, что загрязнение атмосферного воздуха свинцом приводит также к вторичному загрязнению водоемов и почв. Так в результате выпадения осадков в водоемы и почвы только за счет выбросов плавильного и рафинировочного цехов поступает до 4,5 т свинца в год.

6. Предложены мероприятия, направленные на повышение экологической безопасности свинцового производства: выдержка ковшей с расплавами перед их транспортировкой, позволяющая снизить поток загрязнения воздуха свинцом с 36 до 1 мг/с; исключение выбросов неочищенного воздуха через фонари; снижение объемов удаляемого воздуха. Разработанные решения позволяют снизить ущерб от загрязнения окружающей среды в 15,7 раза и получить экономической эффект в размере 3,234 млн. руб./ год в текущих ценах.

7. Результаты работы использованы институтом Казгипрсцветмет в ТЭО реконструкции свинцового завода УК СЦК и включены в "Санитарные правила для производства и применения свинца". Проект НИР по рассматриваемой проблеме в 2000 г. включен на конкурсной основе в программу «Научные исследования высшей школы по экологии и рациональному природопользованию».

Список основных публикаций по теме диссертации

1. Шумилов Р.Н., Толстова Ю.И., Пастухова Л.Г. Методика расчета испарения свища с поверхности расплава. Деп. в ЦВЕТМЕТ - ИНФОРМАЦИЯ, №1922-90 // Деп. науч. раб., №10, 1990. 0,5 п.л.

2. Шумилов Р.Н., Толстова Ю.И., Пастухова Л.Г. Математическое моделирование вентиляции цехов с источником тепла и газа (статья) // Экология,

энергосбережение, экономика: Межвуз. сб. Пермь: АВОК, 1994. С. 93-99. 0,5 п.л.

3. Шумилов Р.Н., Толстова Ю.И., Пастухова Л.Г. Новые данные по расчету загрязнения внутреннего воздуха при производстве свинца // Научно-практические аспекты управления качеством воздуха: Тез. докл. Междунар. конф. «ВОЗДУХ-95». С.-Пб., 1995. С. 227. 0,05 пл.

4. Пастухова Л.Г., Толстова Ю.И. Повышение экологической безопасности свинцового производства // Материалы 4 съезда АВОК: М.: АВОК, 1995. С.181- 186. 0,3 п.л.

5. Толстова Ю.И., Пастухова Л.Г. Расчет коэффициента диффузии при испарении веществ на основе кинетической теории газов // Материалы 5 съезда АВОК. М.: АВОК, 1996. С. 181-185. 0,4 п.л.

6. Шумилов Р.Н., Толстова Ю.И., Пастухова Л.Г. Снижение загрязнения атмосферы выбросами свинцового производства // Достижения в теории и практике теплогазоснабжения, вентиляции, кондиц. воздуха и охраны воздушного бассейна: Междунар. конференция: С.-Пб.: СПбГАСУ, 1997. С. 118-124. 0,16 п.л.

7. Шумилов Р.Н., Толстова Ю.И., Пастухова Л.Г. Загрязнение окружающей среды выбросами свинцового производства // Эколого-водохозяйственный вестник. Екатеринбург: Свердл. отд. Экологич. академии, 1998. С. 124-131. 0,96 п.л.

8. Пастухова Л.Г., Толстова Ю.И. Снижение экономического ущерба от загрязнения атмосферы при производстве свинца // Строительство и образование: Сб. науч. трудов. Екатеринбург: УГТУ, 1998. С.122-126. 0,25 п.л.

9. Шумилов Р.Н., Толстова Ю.И., Пастухова Л.Г. Уменьшение потребления воздуха для вентиляции цехов свинцового производства // Научно-технические проблемы рационального потребления воздуха: Междунар. конф. «Воздух-98». С.-Пб., 1998. С. 176-178. 0,05 п.л.

Условные обозначения ц - молекулярная масса, кг/моль; Г-температура, К; с - концентрация свинца в воздухе, мг/м3; р -плотность воздуха, кг/м3; М- расход воздуха, кг/с; G - количество аэрозолей свинца, мг/с.

Индексы

в -- воздуха; выт - вытяжных систем; к - конвективного потока; пр - приточного воздуха; рз - воздуха рабочей зоны; св - свинца; ср - среднее; ух - уходящего воздуха; ц - циркуляционного воздуха; Н - воздуха на уровне покрытия.

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Пастухова, Лилия Германовна

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ.

1.1. Экологическая опасность свинцового производства.

1.2. Анализ методов повышения экологической безопасности свинцового производства.,.

1.3. Постановка задач исследований.

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ПОСТУПЛЕНИЯ АЭРОЗОЛЕЙ СВИНЦА ОТ ОБОРУДОВАНИЯ.!.

2.1. Особенности технологических процессов плавильных и рафинировочных цехов.

2.2. Массообмен на границе расплав-воздух.:.

2.3. Коэффициент диффузии паров металла.;.

2.4. Учет нестационарности процессов тепло- и массообмена.

2.5. Интенсивность поступления аэрозолей свинца от оборудования.

Выводы.

3. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ВОЗДУШНОЙ СРЕДЫ ПОМЕЩЕНИЙ.

3.1. Разработка методики.:.

3.2. Плавильный цех.

3.3. Рафинировочный цех.

3.4. Моделирование динамики воздушных потоков.:.

Выводы.:.,.:.:.

4. ЗАГРЯЗНЕНИЕ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ.

4.1. Рассеивание выбросов в атмосфере.

4.2. Загрязнение водоемов и почв.

4.3. Ущерб от загрязнения окружающей среды.

Выводы.:.

5. ПОВЫШЕНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ.

5.1. Улучшение состояния воздушной среды.

5.2. Технико-экономическое обоснование природоохранных мероприятий.

5.3. Рекомендации по повышению экологической безопасности.

Выводы.:.:.;.

Введение Диссертация по географии, на тему "Повышение экологической безопасности технологий свинцово-плавильного производства"

Актуальность проблемы. Рост производства и потребления сопровождается загрязнением окружающей среды и отрицательно влияет на природные ресурсы, как на региональном уровне, так и в глобальном масштабе. Природные ресурсы являются источником накопления материальных и культурных ценностей и определяют условия труда и отдыха человека. В настоящее время загрязнения переносятся на все большие расстояния от источника их выделения, в связи с чем, проблеме охраны окружающей среды в развитых индустриальных странах уделяется все большее внимание. В число наиболее опасных компонентов загрязнения окружающей среды входят тяжелые металлы, из которых свинец, ввиду широкого распространения, заслуживает пристального внимания'. Рост производства свинца в мире связан с ростом его потребления в производстве аккумуляторных батарей, пигментов, проката, покрытия кабелей, в сплавах, в производстве присадок к бензину, в химическом машиностроении и для радиационной защиты. Свинец - яд, Действующий на все живое, вызывающий изменения во всех органах и системах человеческого тела. Свинец поступает в организм человека через дыхательные пути в виде пыли и паров, через желудочно-кишечный тракт, попадая в полость рта с грязных рук. Свинец способен накапливаться в организме. Вдыхание свинец. содержащей пыли является наиболее простым путем поступления свинца в организм человека, в виду чего проблема загрязнения им воздушной среды является особенно актуальной.

Природный фон содержания свинца в атмосфере Земли составляет 2-10"9.5-10~4 мкг/м3 и формируется за счет поступления свинца в виде пыли почвы, вулканического дыма, морских солевых аэрозолей и метеоритной пыли в количестве 210 тыс. т/год. Антропогенные источники поступления свинца привносят в атмосферу Земли около 380 тыс. т/год, в том числе в результате работы промышленных предприятий поступает 89 тыс. т/год свинца, с выхлоп6 ными газами - до 260 тыс. т/год, в результате сжигания каменного угля - около 30 тыс. т/год свинца. Таким образом, загрязнение атмосферы свинцом, обусловленное работой промышленных предприятий, составляет 24% от загрязнения антропогенными источниками, которое, в свою очередь, превышает естественное поступление свинца в атмосферу в 1,8 раза. В крупных промышленных городах концентрации свинца поднимаются до 40 мкг/м3, что многократно превышает естественный фон. Радиус рассеяния вокруг металлургических предприятий достигает 30.40 км, причем в радиусе 1 .2 км выделяется зона сильного повреждения ландшафта, здесь фон превышается в десятки и сотни раз. Содержание свинца в твердых выбросах металлургического комбината составляет 250.440 мг/кг. В районе завода, выплавляющего свинец, содержание его в

Л Л о атмосферном воздухе составляет 0,62.0,95 мкг/м", что в 10 . 10 раз превышает естественный фон. К вторичным эффектам процессов переноса свинцовых загрязнений из атмосферного воздуха можно отнести накопление его снежным покровом, почвой, водоемами, приносящие зачастую еще больший ущерб, чем первичное загрязнение атмосферы. В виду изложенного, проблема снижения выбросов свинцового производства в атмосферу представляется актуальной.

Получают свинец, в основном, пирометаллургическим способом: черновой свинец (98% РЬ) путем шахтной или кивцетной плавки, особо чистый (99,99% РЬ) - рафинированием. При проведении технологического процесса происходит загрязнение воздушной среды производственных помещений и атмосферы вредными веществами, особенно соединениями свинца, что создает неблагоприятные условия труда и ведет к загрязнению атмосферы. К мероприятиям, направленным на улучшение состояния воздушной среды, относятся совершенствование технологии с целью сокращения выделения вредных веществ, вентиляция, а также мероприятия, сокращающие выбросы загрязнителей в атмосферу. Так как свинцовое производство принято относить к категории горячих це7 хов, общеобменная вентиляция в них осуществляется путем аэрации. В дополнение к ней применяют местные отсосы и местную приточную вентиляцию. Результаты обследования цехов свинцового производства свидетельствуют о недостаточной эффективности вентиляции, несмотря на значительные воздухооб-мены. Так, концентрации свинца в воздухе рабочих зон в десятки раз превышают предельно допустимые. Кроме того, при аэрации загрязненный воздух выбрасывается через фонари без очистки, способствуя поступлению свинца в приземный слой атмосферы промышленных территорий, что ограничивает применение естественного притока. Переход к механической вентиляции требует затрат, связанных с монтажом вентиляционного оборудования, и приводит к увеличению затрат на обработку приточного и очистку удаляемого воздуха. Снижение затрат может быть достигнуто за счет минимизации объемов вентиляционных выбросов, что привело бы к сокращению затрат на очистку выбрасываемого воздуха, экономии производственных площадей и, наконец, повышению экологической безопасности свинцового производства. В этой связи особую актуальность приобретают вопросы более детального учета всех источников, путей и особенностей распространения свинца в воздушной среде производственных помещений и атмосфере с целью разработки мероприятий по рациональной V организации воздухообмена и изыскания возможностей его минимизации.

В настоящее время отсутствуют данные о выделении свинца при его производстве на разных стадиях технологического процесса. Ввиду токсичности свинца (ПДКрз = 0,01 мг/м3) выделение его в воздух в количестве всего 1 мг/с требует для разбавления не менее 360 000'м3/ч свежего воздуха. Поэтому оценка интенсивности выделения свинца является весьма актуальной. Разработке теоретических основ вентиляции помещений с теплогазовыделениями и проблемам охраны атмосферы посвящены работы С.Е. Бутакова, В.М. Эльтермана, В.Н. Тапиева, М.И. Гримитлина, Г.М. Позина, Р.Н. Шумилова, Ю.И. Толстоьой, 8

В.А. Четкова, Л.К. Энгелья, В.М. Рудмана и др. Однако вопросы прогнозирования концентрации свинца в воздухе рабочих зон и уходящих вентиляционных выбросов не затрагивались.

Исследования проводились по заданию Института Казгипроцветмет для технико-экономического обоснования реконструкции вентиляции плавильного и рафинировочного цехов в связи с переводом свинцового завода Усть-Каменогорского свинцово-цинкового комбината на автогенную технологию в соответствии с х/д НИР №19-88 от 02 ноября 1988 г. «Разработка решений по вентиляции плавильного цеха УК СЦК к ТЭО перевода свинцового завода на автогенную технологию» и х/д НИР №27д от 28 мая 1991 г. «Санитарно-гигиеническая оценка условий труда, исследования и разработка решений по вентиляции цеха рафинирования свинцового завода УК СЦК». Проект НИР по рассматриваемой проблеме в 2000 г. включен на конкурсной основе в программу «Научные исследования высшей школы по экологии и рациональному природопользованию».

Цель и задачи исследований. Целью диссертационной работы явилось повышение экологической безопасности свинцового производства путем совершенствования методов организации технологического процесса и вентиляции.

Достижение поставленной цели потребовало решения следующих задач:

• изучение и совершенствование организации технологического процесса;

• разработка методов прогнозирования загрязнения воздуха свинцом;

• снижение загрязнения окружающей среды путем совершенствования вентиляции;

• разработка рекомендаций по повышению экологической безопасности свинцового производства. 9

Объект исследования: воздушная среда помещений плавильных и рафинировочных производств, а также приземный слой атмосферы промышленной площадки предприятия и жилой застройки.

Предмет исследования: процессы тепломассообмена на границе свинцового расплава и воздуха; процессы переноса свинец содержащих примесей в воздушной среде помещений; процессы рассеивания выбросов свинцовой пыли в атмосферном воздухе.

Методы исследований. Решение поставленных задач потребовало проведения экспериментальных исследований в производственных и лабораторных условиях с применением методов физического и математического моделирования.

Научная новизна. На основании положений кинетической теории газов получена зависимость для определения коэффициента диффузии паров металлов в азот с учетом температуры, молекулярной массы металла и размеров его молекул. Получены новые данные об интенсивности испарения свинца на разных стадиях технологического процесса получения и рафинирования свинца.

Разработана математическая модель остывания поверхности расплавов при их транспортировке в ковшах различной емкости, позволившая определить динамику испарения свинца с поверхностей расплавов с учетом нестационарных условий тепломассообмена.

Достоверность полученной аналитической зависимости для определения коэффициента диффузии металла в азот подтверждается удовлетворительной сходимостью расчетных значений с опубликованными экспериментальными данными. Достоверность определения интенсивности выделения свинца от оборудования подтверждается совпадением результатов натурных исследований концентраций свинца в воздухе помещений, проведенных как с участием автора, так и другими исследователями, с концентрациями, полученными в результате реализации математической модели воздухообмена.

10

Основные научные и практические результаты, полученные лично автором:

• На основании положений кинетической теории газов получена зависимость для определения коэффициента диффузии паров металлов в азот с учетом температуры, молекулярной массы металла и размеров его молекул.

• Разработана математическая модель остывания поверхности расплавов при их транспортировке в ковшах различной емкости, позволившая определить динамику испарения свинца с поверхностей расплавов с учетом нестационарных условий тепломассообмена.

• С использованием метода аналогии процессов тепло- и массообмена получены новые данные об интенсивности испарения свинца на разных стадиях технологического процесса его получения. На основе натурных исследований получены данные об интенсивности загрязнения воздушной среды свинцом при его рафинировании.

• Количественно и качественно обоснована экологическая опасность свинцового производства, определены валовые поступления свинца в окружающую среду, что позволило определить экономический ущерб от загрязнения окружающей среды.

• Результаты исследований включены в ТЭО реконструкции плавильного цеха УКСЦК в связи с переходом на автогенную технологию. Разработан технологический регламент реконструкции вентиляции рафинировочного цеха УКСЦК, а также рекомендации по повышению экологической безопасности свинцового производства.

Научные положения, выносимые на защиту.

1. Определение интенсивности поступления свинца от оборудования.

2. Определение концентраций свинца в воздушной среде помещений.

11

3. Определение экологического и экономического ущерба от загрязнения окружающей среды свинцом.

4. Рекомендации по повышению экологической безопасности свинцового производства.

Практическая ценность. Предложена методика определения коэффициента диффузии паров металла с учетом температуры и его молекулярных характеристик. Разработаны предложения по изменению технологического регламента и рекомендаций по расчету и организации воздухообмена. Разработаны методы повышения экологической безопасности свинцового производства, позволяющие обеспечить нормируемые параметры внутреннего воздуха производственных помещений и предотвратить выбросы неочищенного воздуха плавильных и рафинировочных цехов через фонарь, содержащие соответственно 1,14 и 3,3 т свинца в год, формировавшие прирост концентраций свинца в приземном слое Л атмосферы в 0,12 мг/м". Годовой экономический эффект от внедрения предлагаемых решений составит 3,234 млн. руб., а предотвращенный ущерб - 6,804 млн. руб./ год.

Внедрение результатов исследований. Результаты работы использованы в ТЭО реконструкции свинцового завода Усть-Каменогорского свинцово

V • цинкового комбината (УК СЦК) институтом Казгипрсцветмет и включены в "Санитарные правила для производства и применения свинца", разрабатываемые НИИ гигиены и профзаболеваний МЗ Казахстана. Результаты исследований внедрены и используются институтами Казгипроцветмет (г. Усть-Каменогорск), ЦНИ1И1 (г. Березовский Свердловской обл.), НИИ охраны труда ВЦСПС (Санкт-Петербург), НИИ морской гигиены (Санкт-Петербург), включены в учебное пособие проф., к.т.н. Р.Н.Шумилова.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на межрегиональной конференции в г. Челябинске в 1990 г., на научно-практических кон

12 ференциях УПИ в 1988, 1989, 1997 гг., на IV и V съездах Ассоциации инженеров по отоплению, вентиляции, кондиционированию воздуха, теплоснабжению и строительной теплофизики (АВОК) в г. Москве в 1995 г. и 1996 г., на международных конференциях «Научно-практические аспекты управления качеством воздуха» - «Воздух-95» и «Воздух-98» в г. Санкт-Петербурге в 1995 г. и 1998 г., на региональной научно-практической конференции "Актуальные проблемы эколого-географического изучения Урала для целей оптимизации природопользования и регионализации образования" в г. Екатеринбурге в 1997 г., на научно-технических совещаниях при главном инженере Казгипроцветмет в 1990 и 1991 гг., совещаниях при директоре свинцового завода УК СЦК в 1990 и 1991 гг. Результаты работы представлялись на выставку НТО Стройиндустрии 1989 г., где была присуждена Первая премия, а также на всероссийский конкурс на лучшую научную работу студентов по разделу "Охрана труда" и были отмечены почетной грамотой.

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 9 печатных работах общим объемом 3,17 п.л.

Структура и объем работы. Диссертация содержит 117 стр. текста, в том числе 21 таблицу, иллюстрирована 3.0 рисунками и состоит из введения, 5-ти глав, заключения, 6-ти приложений на 30 стр. Список использованных литературных источников включает 115 наименований.

Заключение Диссертация по теме "Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов", Пастухова, Лилия Германовна

10. Результаты работы использованы институтом Казгипрсцветмет в ТЭО реконструкции свинцового завода УК СЦК в связи с переходом на автогенную технологию и включены в. "Санитарные правила для производства и применения свинца". Проект НИР по рассматриваемой проблеме в 2000 г. -включен на конкурсной основе в программу «Научные исследования высшей школы по экологии и рациональному природопользованию».

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Производство свинца сопровождается интенсивным загрязнением окружающей среды. В результате обследования плавильного и рафинировочного цехов .установлены количественные характеристики и динамика загрязнения воздушной среды свинцом на разных стадиях технологического процесса. Установлено, что применяемые способы снижения загрязнения воздуха с помощью местной и естественной вентиляции не обеспечивают нормируемых параметров воздушной среды.

На основе кинетической теории газов и аналогии процессов тепломассообмена разработана методика расчета коэффициента диффузии свинца в воздух и раскрыты закономерности испарения свинца с поверхности расплавов. Установлена существенная зависимость интенсивности испарения от температуры.

Выявлено, что интенсивным пылеобразованием сопровождается процесс механического разрушения шлаковых корок расплава в котлах. Натурными исследованиями определена интенсивность загрязнения воздушной среды пылью свинца при его рафинировании.

Разработанная математическая модель движения воздушных потоков, позволяющая прогнозировать распределение концентраций свинца в объеме помещения. Для плавильного цеха обоснована возможность минимизации расхода воздуха на вентиляцию за счет снижения поступления свинца при выдержке ковшей под вентилируемыми укрытиями.

Для рафинировочного цеха определено количество приточного воздуха^ необходимого для разбавления загрязнений до ПДК Физическое моделирование различных способов воздухораспределения выявило схему организации движения воздушных потоков и количество приточного воздуха, при котором не происходит разрушения конвективных потоков, переносимых свинцовую пыль от котлов. Минимизация воздухообмена в рафинировочном цехе достигается на основании анализа режима работы котлов, в соответствии с которым вытяжка может осуществляться только над котлами, работающими в интенсивном режиме. Это позволяет раздать приточный воздух без разрушения конвективных потоков от рафинировочных котлов.

Расчетом рассеивания выбросов аэрозолей свинца установлено, что аэра-ционные фонари плавильного и рафинировочного цеха являются источниками загрязнения окружающей среды. Так, максимальный прирост концентрации свинца, наблюдаемый на промышленной территории предприятия, составляет 0,12 мг/м , что выше допустимого значения в 40 раз. Прирост концентрации на прилегающей территории населенного пункта может достигать 0,0033 мг/м5, что выше нормы в 11 раз.

Выявлено, что загрязнение атмосферного воздуха свинцом приводит также к вторичному загрязнению водоемов и почв. Так в результате выпадения осадков в водоемы и почвы только за счет выбросов плавильного и рафинировочного цехов поступает до 4,5 т свинца в год.

Предложены мероприятия, направленные на повышение экологической безопасности свинцового производства: выдержка ковшей с расплавами перед их транспортировкой, позволяющая снизить поток загрязнения воздуха свинцом с 36 до 1 мг/с; исключение выбросов неочищенного воздуха через фонари; снижение объемов удаляемого воздуха. Разработанные решения позволяют снизить ущерб от загрязнения окружающей среды в 15,7 раза и получить экономической эффект в размере 3,234 млн. руб./ год в текущих ценах.

128

Библиография Диссертация по географии, кандидата технических наук, Пастухова, Лилия Германовна, Екатеринбург

1. Амелин А.Г. Теоретические основы образования тумана при конденсации пара. М.: Химия, 1972. 304 с.

2. Арефьев К:М., Гусева М.А., Балашова Н.Б. Квантовая механика в расчетах -переноса паров металлов в газах. Д.: Изд. ЛГУ, 1990. 216 с. Ас. № 159960 СССР, МКИ F24f. Устройство для местного отсоса/ Пиру-мов А.И., Гальцов В.А. Бюлл. № 2,1964.

3. Атчабаров Б.А. Поражения нервной системы при свинцовой интоксикации. Алма-Ата, 1966. С.191-196.

4. Бабынин О.Н., Кулешов Б.Н. Выбор оптимального режима работы местных отсосов // Проектирование отопительно-вентиляционных систем/ информационный (реферативный) вьшуск. М.: Сантехпроект, 1967, №3, с. 1423.

5. Батурин В.В., Эльтерман В.М. Аэрация промышленных зданий. Изд. 2-е, испр. и доп. М.: Стройиздат, 1963. 320 с.

6. Богословский В.Н. Отопление и вентиляция. 4.2. М.: Стройиздат, 1976. 439 с.

7. Ванюков A.B., Зайцев В.Я. Теория лирометаллургических процессов. М.: Металлургия, 1973. 504 с.

8. Ванюков A.B., Зайцев В.Я. Штейны и шлаки цветной металлургии. М.: Металлургия, 1969. 408 с.

9. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам жидкостей и газов. М.: Физматгиз, 1972. 720 с.

10. Внутренние санитарно-технические устройства. В 3 ч. Ч.З. Вентиляция и кондиционирование воздуха. Кн1 / В.Н.Богословский, А.И.Пирумов, В.Н.Посохин и др.; Под ред. Н.Н.Павлова и Ю.И.Шиллера. 4-е изд. Пере-раб и доп. М.: Стройиздат, 1992. 319 с.

11. Вредные вещества в промышленности. Справочник для химиков, инженеров и врачей. Изд. 7-е, перераб. и доп. В 3-х томах. 1.3. Неорганические и элемент органические соединения. Под ред. Н.В.Лазарева и И.Д.Гадаскиной. Л.: Химия, 1977. 444 с.

12. Вредные химические вещества. Неорганические соединения элементов I-IV групп: Справ, изд./ А.Л.Бандман, Г.А.Гудзовский, Л.С.Дубейковская и др. Под род. В.А.лилова и др. Л.: Хиля, 1988. 512 с.

13. Временная типовая методика определения экономической эффективности природоохранных мероприятий и оценки экономического ущерба, причиняемого народному хозяйству загрязнением окружающей среды/ Гос. план. ком. СССР и др. М.: Экономика, 1986. 94 с.

14. Герасимов Я.И., Крестовников А.Н., Шахов A.C. Химическая термодинамика в цветной металлургии. Т.2.: Справочное руководство: М.: Металv •лургия, 1961. 262 с.

15. Гиршфельд Дж.О., Кэртис К.Ф., Бэрд Р.Б. Молекулярная теория газов и жидкостей. М.: ИЛ, 1961. 929 с.

16. ГОСТ 8.011-72. ГСИ. Показатели точности измерений и формы представления результатов измерений. М.: Изд-во стандартов, 1972. ГОСТ 12.1.005-88. Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны. М.: Изд-во стандартов, 1988. 75 с.

17. Гримитлин М.И. и др. Вентиляция цехов машиностроительных заводов. М.: Машиностроение, 1978. 272 с.

18. Гримитлин М.И. Распределение воздуха в помещаниях. М.: Стройиздат, 1982.164 с.

19. Гримитлин М.И., Живов A.M. Современные способы подачи воздуха в помещениях промышленных и общественных зданий.// Новое в теории и практике воздухораспределения в промышленных и общественных зданиях. Ленинград: ЛДНТП, 1988. С. 22-28.

20. Гримитлин М.И., Моор Л.Ф., Позин Г.М. Организация воздухообмена и распределение воздуха в помещениях. //Справочник проектировщика. Вентиляция и кондиционирование воздуха. ч.З, кн.2 -М. 1992. С. 114150.

21. Гримитлин М.И., Толстова Ю.И., Шумилов Р.Н. Особенности воздухораспределения в конвертерных отделениях медеплавильных заводов// Вопросы техники безопасности и производственной санитарии. М.: Профиздат, 1982. С. 18-21.

22. Дешман С. Научные основы вакуумной техники. М.: 1964. 715 с.

23. Диев Н.П., Гофман И.П. Металлургия свинца и цинка. М.: Металлургия,1961.406 с.

24. Диомидовский Д.А. Расчет пиропроцессов и печей цветной металлургии.1. V

25. М.: Металлургия, 1963. 459 с.

26. Добровольский В.В. География микроэлементов. Глобальное рассеяние. М„ 1983.272 с.

27. Долин П.А. Справочник по технике безопасности. М.: Энергоатомиздат, 1985.288 с.

28. Елшин Е.М. Строителю об охране окружающей природной среды- М.: Стройиздат, 1986. 136 с.

29. Жаркова Н.С. Гигиенические изучения ведущих факторов внешней среды в районах предприятий цветной металлургии Казахстана. В кн.: Трудыин-та краевой патологии. "Гигиена труда и профзаболеваний в цветной металлургии", Алма-Ата, 1970, С.3-8.

30. Зайцев В.Я., Маргулис Е.В. Металлургия свинца и цинка. М.: Металлургия, 1985. 263 с.

31. Ивановский М.Н., Сорокин В.П., Субботин В.И. Испарение и конденсация металлов. М.: Атомиздат, 1976. 216 с.

32. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел A.C.: Теплопередача. М.: Энерго-издат, 1981. 417 с.

33. Калин Б.А., Скоров Д.М., Якушин B.J1. Проблемы выбора материалов для термоядерных реакторов. 1985. 183 с.

34. Кафаров В.В. Основы массопередачи. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Высшая школа. 1979. 439 с.

35. Кац Ю.И. Закономерности изменения скоростей, температур на оси свободной плоской конвективной струи// Науч. раб. ин-тов охраны труда ВЦСПС, вып.50, 1968. С.14-22.

36. Кеворкьян И.С. Свинец- В кн.: Профессиональные интоксикации. Минск, 1955. 651 с.

37. Кикоин А.К., Кикоин И.К. Молекулярная физика. М.: Наука, 1976. 480 с. Кнаке 0., Странский И. Механизм испарения. "Успехи физики металлов". М.: Физматгиз, 1966, Т.З, С. 222.

38. Коростелев Ю.А. Приближенное аналитическое исследование бокового отсоса от плоского конвективного источника// язв. вузов. Стр-во и арх-ра, № 12, 1984. С. 97-101.

39. Краткий справочник физико-химических величин. Л.: Химия, 1983. 232 с. Лебедев Ю.А. Второе дыхание марафонца (о свинце). 2-а изд., перераб. и доп.- М.: Металлургия, 1990. 144 с.

40. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. М.: Энергия, 1973. 219 с.

41. Отчет о НИР "Исследование и разработка общеобменной вентиляции конвертерных отделений с выдачей исходных данных для проектирования". № г.р. 01825011036. Свердловск: Урал, политехи, ин-т, 1984. 144 с.

42. Позин Г.М., Буянов В.И. Соотношение энергий взаимодействующих приточных и конвективных струй как характеристика схем циркуляции воздуха в помещении// Научно-технический прогресс и охрана труда. М.: Про-физдат, 1989, С. 36-39.

43. Посохин В.Н. Расчет местных отсосов от тепло- и газовыделяющего оборудования. М.: Машиностроение, 1984. 160 с.1. V

44. Проветривание промышленных площадок и прилегающих к ним территорий / В.С.Никитин, Н.Г.Максимкина, В.Т.Самсонов, Л.В.Плотникова. М.: Стройиздат, 1980. 200 с.

45. Пылеулавливание и очистка газов в металлургии. Старк С.Б. -М., Металлургия, 1977. 328 с.

46. Рекомендации по выбору способов подачи и типов воздухораспределительных устройств в промышленных зданиях. АЗ-960. М.: ГПИ "Сантех-■ проект", 1987. 15 с.

47. СанПиН 3086-84. Предельно допустимые концентрации (ПДК) загрязняющих веществ в атмосферном воздухе населенных мест. 48 с. Сивухин Д.В. Общий курс физики: Термодинамика и молекулярная физика. М.: Наука, 1979. 551 с.

48. Смирнов М.П., Виноградов C.B. Достижении и перспективы в области рафинирования свинца. "Цвет, металлы", 39,1986. С. 9-12. Смирнов М.Р. Рафинирование свинца и переработка полупродуктов. М.: Металлургия, 1977. 280 с.

49. СНиП 2.01.01-82. Строительная климатология и геофизика. Утв. 1 янв.у •1983. М.: Стройиздат, 1984, 136 с.

50. СНиП 2.04.05.86. Отопление, вентиляция и кондиционирование. М.: ЦИТП, 1988. 66 с.

51. СНиП П-3-79**. Строительная теплотехника. М.: ЦИТП, 1986. 30 с. Соклаков А.Ф. К вопросу улучшения условий труда рабочих в металлургии свинца. В кн. Вопросы гигиены труда и профзаболеваний. Усть-Каменогорск, 1972. С. 3-7.

52. Справочник химика. Т.З. Изд. 2-е перераб. и доп.: M. -JI. : Химия, 1964. с. 465

53. Талиев В.Н. Аэродинамика вентиляции. Учеб. пособие для вузов. М.: Стройиздат, 1979. 295 с.

54. Толстова Ю.И., Пастухова Л.Г. Математическое моделирование вентиляционного процесса в помещении цри действии технологического отсоса // Оптимизация систем обеспыливания воздуха (Межвуз. сб.). Пермь: АВОК, 1991. С.123-127.

55. Толстова Ю.И., Пастухова Л.Г. Расчет коэффициента диффузии при испарении веществ на основе кинетической теории газов // Материалы 5 съезда АВОК. М.: АВОК, 1996. С. 181-185.

56. Толстова Ю.И., Шумилов Р.Н. Энергосберегающие системы общеобменной вентиляции в конвертерных отделениях заводов цветной металлургии// Энергосберегающие системы общеобменной вентиляции. Пермь: изд.ППИ, 1986. С. 35-41.

57. Требования к конструкциям и расчету тепло-газоулавливающих устройств (местных отсосов) металлургической промышленности. Свердловск: ВНИИОТ ВЦСПС, 1981.

58. Физический энциклопедический словарь./ Гл. ред. А.М.Прохоров. М.: Сов. энциклопедия, 1984. 944 с.

59. Франк-Каменецкий Д.А. Диффузия и теплопередача в химической кинетике. М.: Наука, 1987. 490 с.

60. Холдер Д., Норт Д. Техника эксперимента в аэродинамических трубах. М.: Мир, 1966. 179 с.

61. Чепмен С., Каулинг Т. Математическая теория неоднородных газов. Пер. с англ. М.: ИЛ, 1960. 510 с.

62. Четков В.А., Энгель Л.К. Вентиляция цехов предприятий цветной металлургии. М.: Металлургия, 1968. 252 с.1. V '

63. Шепелев И.А. Аэродинамика воздушных потоков в помещении. М.:Стройиздат, 1976. 146 с.

64. Шумилов Р.Н. Расчет теплообмена излучением при проектировании вентиляции горячих цехов. Свердловск, 1981, 13 с. Рук. предст. Урал, политехи. ин-том. Деп. во ВНИИС, №2575-81.

65. Шумилов Р.Н. Теоретические основы вентилдяции: Аэродинамика. Екатеринбург: УГЛУ-УПИ, 1995. 88 с.

66. Шумилов Р.Н., Толстова Ю.И., Пастухова Л.Г. Вентиляция плавильного цеха свинцового завода. Депонирована в ЦВЕТМЕТ- ИНФОРМАЦИЯ, № 1923-90 // Деп. науч. раб., № 10,1990.

67. Шумилов Р.Н., Толстова Ю.И., Пастухова Л.Г. Математическое моделирование вентиляции цехов с источником тепла и газа // Межвуз. сб. науч. трудов: Экология. Энергосбережение. Экономика. Пермь, изд. ПТУ, 1994, С. 93-99.с

68. Эльтерман В.М. Вентиляция химических производств. М.: Химия, 1980. 288 с.

69. Энгель JI.K. , Рудмана Б.М. Вентиляция на заводах цветной металлургии. М.: Металлургия, 1974. 200 с.

70. Энергосбережение в системах теплоснабжения, вентиляции и кондиционирования воздуха: Спр. Пос. / Л.Д.Богуславский и др. М.: Стройиздат, 1990. 624 с.

71. Behrish R. J. Nucl. Materials, 1980, v. 93-94, p: 498-504.

72. Environmental Chelenges for the Lead-Zinc Industry. John C. Taylor and Alan

73. D. Zuncel. J. of Metals, №8, vol. 40,1988. p. 189-197.

74. Murakami Shuzo, Kato Shinsoke, Ishida Yoshihiro. Numtrical Simulation of Room Air Flow wiht Generalized Curvilinear Coordinates. Mon. J. Inst. Ind. Sci. Univ. Tokyo, v. 40, №6,1988. p.293-296.

75. P.V.Nielsen, A.Restivo and J.H.Whitelaw. The velocity characteristics of ventilated rooms. J. Fluid Engng. 100,1978. p.291-298.

76. P.V.Nielsen. Contaminant distribution in industrial areas with forced ventilation and tow-dimensional flow. IIR-Joint Meeting, Comission El, Essen, F.RiG., 1981.

77. Рис. П. 1.1. Циркуляция при естественной конвекции без подачи приточного воздуха.

78. Циркуляция при подаче приточного воздуха в рабочую зону в объеме 21340 м3/ч на один котел.

79. Циркуляция при подаче приточного воздуха в рабочую в объеме 6600 м3/ч на один котел.

80. Циркуляция при подаче приточного воздуха сверху в объемел79200 м7ч на один котел.

81. Циркуляция при подаче приточного воздуха сверху в объеме 19800 м3/ч на один котел.

82. Циркуляция при наклонной подаче приточного воздуха в объеме 41 ООО м3/ч на один котел.

83. Циркуляция при подаче приточного воздуха в рабочую зону объеме 6030 м3/ч и сверху 63000 м3/ч на один котел.

84. Рис. ПЛ .8. Циркуляция при подаче приточного воздуха сверху перфорированными воздухораспределителями в объеме 50 ООО м3/ч и в рабочую зону в объеме 6000 м3/ч на один котел.