Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Разработка и исследование строительных материалов из отходов горно-металлургических и химических предприятий

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

Автореферат диссертации по теме "Разработка и исследование строительных материалов из отходов горно-металлургических и химических предприятий"

Министерство общего и профессионального образования Российской Федерации

Тульский государственный университет

ОД

На правах рукописи

РЯБОВ Роман Геннадьевич

РАЗРАБОТКА II ИССЛЕДОВАНИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ ИЗ ОТХОДОВ ГОВПО-МЯТАЛЛУРГИЧЕСКГОС И ХИМИЧЕСКИХ ПРЕДПРИЯТИЙ

Специальность 11.00,И - «Охрана окружающей среды и

рациональной использование! природных ресурсов»

Авторвфера?

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тула 1998

Работа выполнена в Тульском государственном университете

I ?аучный руководитель - доктор технических наук, профессор Николаи Михаилович Качурин

Официальные оппоненты: доктор гсолого-мннералогнческнх

наук, профессор Петр Алексеевич Игнатов;

Ведущая организация - Международная академия наук экологии

и безопасности жизнедеятельности (МАНЭБ)

Тульском государственном университете по адресу: 300600, г. Тула, пр. Ленина, 92.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тульского государственного университета

кандидат технических наук, доцент Виктор Федорович Рожков

Защита диссертации состоится « '/У» ^ ~~~ 1998 г.

в - ч на заседании специализированного совета Д 063.47.06 в

Автореферат разослан « '/•> » ■ — 1998 г.

Ученый секретарь специализированного совета канд. технических наук, доцент

И.В. Панферова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Очевидно, что развитие человеческого общества невозможно без взаимодействия с окружающей средой, а, следовательно, и воздействия на природу, без использования природных ресурсов. Люди преобразовывали, и будут преобразовывать природу. Важнейшей проблемой стратегии управления качеством окружающей природной среды является вопрос об организации системы, определяющей эффективность комплексного и экологически рационального использования природных ресурсов. Попытки максимального использования природных ресурсов, не подкрепленные достаточным знанием возможностей природы -способности к воспроизводству ресурсов и саморегулированию, - ведут к серьезным экологическим последствиям.

Устойчивое обеспечение потребностей Российской Федерации во всех видах топлива и энергии, продукции металлургии и химической промышленности по-прежнему должно осуществляться за счет их добычи и производства, а не за счет их импорта. Рост эффективности добычи, обогащения и переработки полезных ископаемых, эффективное функционирование металлургических н химико-технологических предприятий в условиях переходной экономики можно осуществить только путем ускоренного роста производительности труда. Достижение этой цели возможно лишь на основе внедрения высокоэффективных технологий нового уровня. Внедрение таких технологии в условиях рынка, по крайней Мере на первых порах, приведет к существенному повышению выхода отходов производства в газообразной, жидкой и твердой формах. В этих условиях особую актуальность приобретает проблема экологически рационального использования отходов производства как вторичного сырья и разработки научных принципов в создании новых технологических регламентов производства товарной продукции из отходов, и прежде всего, из твердых отходов.

За последнее время доля утилизированных отходов заметно увеличилась, например, в Тульской области в 1994 году было утилизировано 768 тыс. тонн токсичных отходов, а в 1996 году этот показатель увеличился на 11%. Однако этот показатель по сравнению с ситуацией, имевшей место в недавнем прошлом в промышленности бывшего СССР, остается весьма низким,-Очевидно, что производство-строительных материалов и изделий из твердых отходов предприятий горно-металлургического комплекса и х.чмнко-технодогической отрасли является наиболее предпочтительным концептуальным положением в утилизации многих видов отходов. На шахтах, металлургических заводах и химических комбинатах ежегодно

производят различные строительные материалы, однако технологические процессы, а главное, процессы эксплуатации данных строительных материалов и'изделий не оцениваются по экологическим критериям. В связи с этим в течение последних лет разработке экологически рациональных технологий производства строительных материалов и эффективных методов оценки экологических последствий их использования уделяется пристальное внимание. Однако практика проектирования и эксплуатации технологических процессов переработки показывает, что до настоящего времени отсутствуют единые методические подходы к оптимизации технологических процессов переработки твердых отходов. Это объясняется весьма упрощенными представлениями о физической сущности процессов получения и эксплуатации материалов и изделий из вторичных ресурсов, отсутствием четкой нормативной регламентации их физико-химических свойств и недальновидной технологической политикой в экономике в целом. Поэтому исследовательская деятельность в этой области вновь образовавшимися научными школами, специализирующимися в охране окружающей среды и рацпонхпьиом использовании природных ресурсов, весьма актуальна. Особую остроту эта проблема приобретает б условиях наблюдающегося оживления промышленности при практически полном физическом н моральном износе очистных сооружений.

Диссертационная работа выполнялась в рамках тематических планов МНТП "Прогноз" и "Экологически чистое горное производство",

Целыо работы являлось установление новых и уточнение существующих закономерностей взаимодействия компонентов отходов горнометаллургических и химических предприятий для разработки экологически рациональных технологий производства строительных материалов н изделий с использованием промышленных отходов.

Идея работы заключается в том, что экологически рациональные технологии производства строительных материалов и изделий с использованием промышленных отходов основываются на фнзнко-химнческнх закономерностях взаимодействий компонентов, определяющих эффективные рецептуры, интенсивность выбросов газов в атмосферу и технологические регламенты, оптимальные по энергоемкости.

Основные научные положения, сформулированные в работе: управляемый синтез, протекающий в смеси из двух или нескольких легко смешивающихся между собой отходов, в результате химических процессов может образовывать нетоксичные конечные продукты, являющееся ценными добавками или сырьем для производства строительных материалов;

. экологическая оптимизация процесса получения строительных ма-терь'алои из отходов производства может быть формально сведена к задаче математического программидовання,' где условие неубывания целевой функции, характеризующей энергоемкость технологий переработки отхо-

дов, свидетельствует о том, что ее минимум может быть обеспечен при минимуме всех функций ^(х(1>), входящих в ее состав;

диффузионные и нестационарные одномерные поля концентраций газов, используемых при ократировании, в слое бетона представляют собой монотонно убывающие функции, которые стремятся к некоторому асимптотическому значению;

физически обоснованным и практически целесообразным является использование методов интегральной газовой динамики для расчета валовых выбросов газов ократирования в атмосферу. Повита научных положений:

показано, что при целенаправленном синтезе в смеси отходов протекают химические реакции, способствующие образованию не только новых ценных сырьевых продуктов, но и производящие работу диспергирования твердой фазы;

установлены закономерности диффузионного переноса газов окра-тирования в пористой структуре вещества бетонов, отличающиеся тем, что при описании профилей концентраций газовых компонентов учитывается кинетика сорбционного взаимодействия с твердой фазой на макрокинети-ческом уровне;

обосновано, что эмерджентный экол'ого-технологический показатель представляет собой целевую функцию, характеризующую энергоемкость технологий переработки отходов;

получены приближенные зависимости выделения газов ократнро-вания бетонов в атмосферу.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:

корректной постановкой задач исследований, обоснованным использованием классических методов физической химии, математической физики, математической статистики и современных достижений вычислительной техники;

достаточно представительным объемом лабораторных и вычислительных экспериментов, результаты которых свидетельствуют об адекватности разработанных моделей и обоснованности выводов и рекомендаций;

положительными решениями государственной патентной экспертизу по разработанным техническим решениям.

Практическая значимость работы заключается в том, что разработаны новые способы производства строительных материалов и изделий (новизна подтверждена положительными результатами государственной патентной экспертизы), позволяющие рационально использовать природные ресурсы за счет вовлечения в технологические циклы ресурсов техногенного происхождения. Разработанные комплексы математических моделей для прогноза валовых выбросов газов ократйрования бетонов в атмосферу существенно облегчают решение задач инвентаризации источников

загрязнения воздушного бассейна, что повышает эффективность САПР технологических процессов и экологической экспертизы на всех этапах проектирования и эксплуатации предприятий строннндустрин.

Реализация работы. Основные научные и практические результаты диссертационной работы внедрены на предприятиях стройиндустрна г. Тулы и использованы природоохранительными службами администрации Тульской области. Теоретические результаты и технические решения включены в учебные курсы по охране окружающей среды и рациональному использованию природных ресурсов для студентов, обучающихся по специальности 320700 "Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов", а также использованы при выполнении" хоздоговорных и госбюджетных НИР в Тульском государственном университете.

Апробация работы. Научные полЬжения и практические разработки диссертационной работы в целом и отдельные ее разделы докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры аэрологии, охраны труда и окружающей среды ТулГУ (г. Тула, 1995 - 1998 гг.), ежегодных конференциях профессорско-преподавательского состава ТулГУ (г. Тула, 1995 -1998 гг.), 1-й Международной конференции "Проблемы создания экологически чистых и ресурсосберегающих технологий добычи полезных ископаемых и переработки отходов горного производства" (г. Тула, 1996 г.), 2-й Международной конференции но проблемам экологического образования (г. Тула 1996 г.), 1-й Международной конференции по экологии и безопасности, жизнедеятельности (г. Тула 1997 г.), 1-й Международной конференции по про . .емам экологической и технологической безопасности "Белые ночи" (г. Санкт-Петербург 1997 г.), 2-м Международном симпозиуме "Remediation of Hazard Wastes" (Чехия, г. Прага 3997 г.), на совещании представителей общественной организации "Albany -Tula Alliance" от государственного университета штата Нью-Йорк США, ТулГУ и администрации Тульской области (г.Тула 1997г.). Керамические изделия нэ отходов горно-металлургической премы ш л с: шосп; экспонировались на Международной Лейпцигской ярмарке (Германия, г. Лейпциг 1997 г.).

Публикации. По результатам выполненных нселгдоьапцП опубликовано 10 статей, получено 3 патента Российской Федерации и 2 положительных решения ВНИИГПЭ.

Автор диссертации выражает глубо;гую благодарность д.т.н., профессору Э.М. Соколову за постоянную поддержку и методическую помощь в проведении иссяедоешщЯ, а та;о::г еотрудяъ;сйМ кафедрь: строительных материалов и кафедры езркш»г«к, «одмзы труда н окружающей среды ТулГУ за доброжелательно? откищснн;. и .многочисленные квалифицированные консультации пй данной раЗом.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Фундаментальные теоретические положения и практические рекомендации экологически рационального обращения с отходами производства сформулированы в трудах М.И. Агошкова, A.A. Барского, М.И. Горбачевой, В.И. Данилова-Данильяна, Е.И. Захарова, Ю.Л. Израэля, П.А. Игнатова, Н.М. Качурина, А.П. Курковского, Б.Н. Ласкорина, Н.В. Мельникова, H.H. Моисеева, И.В. Петрянова-Соколова, О.Н. Русака, Г.Г. Рябова, Э.М. Соколова, H.H. Семенова, А.Ф. Снманкина, М.Б. Сулльг, К.И. Трубецкого и др. Анализ основных научных и практических результатов научных школ Российской Федерации, стран дальнего н ближнего зарубежья послужил основой для определения цели, идеи и основных направлений исследований.

Современное состояние знаний по рассматриваемой проблеме, цель и идея работы обусловили необходимость постановки и решения следующих задач.

1. Выполнить анализ формирования отходов производства, пригодных для использования в индустрии строительных материалов, на примере промышленно развитого региона России и обобщить технологические и физико-химические условия переработки отходов горнометаллургических, теплоэнергетических и химико-технологических предприятий.

2. Разработать новые технические решения, обеспечивающие экологически рациональные способы изготовления бетонных изделий, керамической массы, мастнчно-песчаного шпаклевочного раствора и формовочных смесей за счет повторного вовлечения в технологические циклы неутилизируемых отходов производства.

3. Обосновать физическую модель и математическое описание оптимизации процессов производства строительных материалов и изделий из промышленных отходов, используя в качестве эмерджентного экологического критерия оптимальности энергоемкость технологических операций.

4. Разработать физическую модель и математическое описание динамики валовых выбросов газов, используемых для ократирования, с учетом процессов диффузионного газопереноса в пористой структуре вещества бетонов.

5. Пронести цикл лабораторных и вычислительных экспериментов, а также опытно-промышленные испытания и оценить предлагаемые технические решения по фактору рациональности использования природных ресурсов техногенного происхождения.

Комплексная экологическая оценка показала, что Тульскую область целесообразно использосатт. я качестве полигона для икборг :кологич.ткн рациональной стратегии упгляления ирлродопользо&эшгем и сров.-:ии"я

/

комплексного крупномасштабного эксперимента, который позволил бы отработать на территории конкретного субъекта Российской Федерации всю совокупность мероприятий по оздоровлению экологической обстановки и охране здоровья населения и, в первую' очередь, оценить эффективность технологий использования промышленных отходов для производства строительных материалов и изделий. В Тульской и других областях центральной России имеется ряд отходов, которые вследствие повышенной токсичности или ряда других причин не нашли широкого применения ни в одной отрасли народного хозяйства, в том числе и в производстве строительных материалов. К числу малоиспользуемых отходов относятся металлургические шлаки, стоки химических производств, отходы угледобычи, буроугольные золы, щпам газоочистки доменных печей и многие другие.

Целенаправленный синтез из двух или нескольких легко смешивающихся между собой отходов в результате самопроизвольного химического процесса, протекающего между компонентами, может образовывать нетоксичный конечный продукт, играющий роль ценной добавки или сырья для производства строительных материалов. Как правило, конечный продукт почти не требует дополнительных энергозатрат на его обработку, так как химическая реакция способствует образованию не только новых ценных сырьевых продуктов, но и производит работу диспергирования. Например, кубовые остатки от очистки газов метаноламииовым раствором, представляют;, собой жидкие отходы темно-бурого цвета, повышают пластичность легкоплавких глин, снижкот температуру обжига и соответственно повышают прочность керамического кирпича. Применение попутных отходов технологии получения аммиака а производстве строительного кирпича, растворов, бетонов способствует повышению качества и фи-зико-механнческих свойств этих материалов. При зтом можно заменить дорогостоящие пигменты, например железный сурик, отработанными катализаторами.

.Эти концептуальные положения позволили разработать комплекс новых технических решений по производству строительных материалов и изделий из отходов производства. Носизна технических решений подтверждается положительными решениям', государственной патентной экспертизы. Общая характеристика э;;олопгч;ски рациональных технологий заключается в следующем.

Разработан новый способ щготог-лвния Остоичмх издзлий, который обеспечивает снижение выбросов в ¿гмос^сру СО; или расхода цемента, извести, кокса, качественного к&шевого песка и фтористого водорода. Предлагаемый способ изготог,бпонких изделий позволяет использовать в тсхиологичсским процесс _ отходи химической 'полировки стеклоизделкй, угкекиеяи»: пи, ч,и аехопдчци-ошмо :;парцельтс псс:.".;; ;> : (к "омих г-.-^г.т.}

Таблица 1

Характеристика компонентов бетона, изготовленного по экологически рациональной технологии

Ко н.п Компоненты, входящие в состав бетона

1. Портландцемент марки М400 ГОСТЮ! 73-35

2. Шлакопортлаидцемент МЗОО

3. .Известняковый щебень Туровского месторождения (Тульсклт обл.). Содержание CaCOj — 98,1 ... 98,7 %; остальные прпмесл - Si03, глины, FcjOj. Насыпная плотность '460 кг/м3, диаметр от 5 до 20 мм;

4. Кварцевый песок с модулем крупности 2,1... 2,3. По гранулометрическому и химическому составам отвечает требопаткм ГОСТ 3756-93 применительно к тяжелым бетонам.

5. Кварцевый песок с модулем крупности менее 1,1. Является отходами добычи бурого угля открытым способом в Подмос-koi'ücm бассейне'. По гранулометрическому составу песок является и^лриголным для пронзгодстза цементных бггоно». (При эгеиернчап j.t но"! пр-.иерхе способа исло.илопьи песо:» Кмюг.-слсго буроугслиюго разрезаТульской облгетн).

• - х- лСг'доте отходы от хиуччеткой полнропкя'сте;слоиздел!;н. Нри-»•тш ст/о;,' i Дсгко'л.гсго .•••рустального :,аг.одд Бочкской овлсс-1!:, !.*,; ;|ол.м-:-:::п!,::е ¡'!л-тгллл:лн,и!! Содср-л-тг в, сео: < со::1 iü? 20...'<0 % гсгГ-л ;чон фтористо-глдородиэй киглоуы HP и 3 - 10 % ccpHfc.i . .челок.:! Ь'Ю,|, сстлгллллз фгори.чу ;г сульфаты и'.еиучяич н »:;«очгсгс*клыках металлов.

а-сцв -.ггхг'доо .«cim-si, тгп.сцелд'оя'кй р'лг-i. of:in:ui! 0,2...И 1-1; .i'jrr-'vvu"4 г." гл'йгл 0,!0...0,!б; с.-рЦ-Л кпглстл i; 0,43..Д-*5; со;;ч. G.i 2...0,26; -Jen,'. — о-:»,тЛ| гле.

Eoiii;:' О'л:; ГЛ.Ы/СИ'Л' с р ;:;»•.;•;:■:;:! i.v.;v.; :. ,".л, лл;г;-'; оч:.чгч KVw.'Ji'i-'iwa'Jt ч игл Vv^ynaint ¡крыг-ч'лгг ено- с~сг'г пл-;:!!:; с i;p;i<."*v;e!'H?.!4 ч И.л.

Таблица2.

Результаты лабораторных исследований образцов цементного бетона, изготовленных различными способами

№ опыта Масса отходов производства, использованных при изготовлении 1 м3 тяжелого бетона, кг Предел прочности на сжатие, Мпа

Известняковые высевки Некондиционный кварцевый песок Водный раствор соляной кислоты Отходы производства нитроклетчатки Отходы при полировке стекла

1. 11,4 _ 150 _ • 25...32

2.' 11,4 150 32...36

3. 11,4 - 150 32...35

' .4. | 11,4 ' - 150 • 32...37

в кг/м3: ПЦ М400 - 367,7, кварцевого песка - 625,5, известнякового щебня 1270 во всех составах.

Получен новый состав керамической массы, который обеспечивает утилизацию битого стекла, брака керамического черепка и бурауголыюй золы Подмосковного угольного бассейна. Разработан новый состав мас-тнчьо-пзсчаного шпаклевочного раствора, который позволяет повторно использовать отходы производства парфюмерно-косметической промышленности (ОПЛ - пасты ланолина) и отходы производства капролактама. Обоснована новая технологическая схема произьодства строительных изделий, которая позволяет повторно использовать доменные щлаки, гндро-отвальную низко кальциевого буроугольную золу от с;;;нпншя углой Подмосковного бассейна и отходы производства мела. Получен новый состаг. формовочной вяжущей смеси, который обеспечивает утилизацию зол уноса буроугольных тепловых электростанций, когзльних иин&оп и отаодог. производства полистирола. Разработанные позы- технологии производства строительных материалов и изделий, а такие« составы смесей распзорои обеспечивают соблюдение нормативных требований по прочности* изделий и их внешнему виду.

Рассматривая произвольную технологическую операцию мохено-ут-■ верждать, что в первом приближении скорость изменения энергии пропорциональна разности средних скоростей Потребления и поступления энергии из внешних источника-), следовательно, справедливо елгдующее уравнение:

Ç-k^-ЕД (i)

dt

где Ej - общее количество энергии, затраченное на выполнение i-ой технологической операции к моменту времени t; Kj - константа скорости потребления энергии при выполнении i-ой технологической операции;Непредельное значение энергоемкости t-ой технологической операции.

Оптимизация процесса переработки отходов и получения из них строительных материалов может быть формально сведена к задаче математического программирования. Анализ решения уравнения (I) показал, что вектор параметров целевой функции можно выразить как логарифм отно-• шения энергий Е| и Eœi. Таким образом, целевая функция будет представлять собой линейные комбинации произведений констант К| на длительности технологических операций (¡. Разумеется, что специальные и общие ограничения будут связаны с длительностью

Результаты .вычислительного эксперимента с использованием решения уравнения (1) позволили определить множество допустимых значений решений рассматриваемой задачи математического программирования. Очевидно, рассматриваемая задача линейного про1раммиропг.ния будет допустимой, так как эта задача всегда будет иметь хотя бы одно допустимое решение. Топка (tj°) i=1,2,3, ... Nom где Non - количество, технологических операций в оптимизируемой технологической схеме, которая ха-ра:стерглуег оптимальное решение задачи, будет являться точко.1 глобального млнимумп. В общем сдучг.е ррслззсдст&а строительных мстгриалоз л 13Д5ЛеШ sïj промышленных отходе задача минимизации энергозатрат па пелученмэ тоьз->нг*5 п'-оду;сцн»г мо,;:гг бык. вписана в следующем Еиде:

l^t,+K2l2+k3t3+.,.+ !■:„{„-F — min, ' (2)

5'n»i+b12t2+bJ3tj+...+tvt.4 =Pi, ,b;i<i -,-b2;t2 + b23t3 +... + bj„tn кр,,. b31t, + b32*2 +b„t5 + ... rb,ni„ r>{53,

b.ojti +bra2t7 +h,,3t3 +... + bmt„ ¡Sp0, t, *0,t2 =Q,t3 ¿a...tn ьО. (3)

1'ешгиие задачи (2) - (3) осуществлялось с иепользотнием стандартных программных средств снстемм Microsoft Office \Vin95. Для выбора оптимальных реш'.моз проредепня лаберятертлх.исследований разра-ботскных технологий был использован пакет программ Mathematica 2.2.

Основные результаты оптимизации технологических процессов получены в виде оптимальных длительностей операций каждого технологического цикла. Этот подход легко можно распространить и на промышленные объекты после детального информационного анализа. Несомненным преимуществом предлагаемого подхода является сравнительная простота решения задач оптимизации технологических процессов. Это позволяет принимать экологически сбалансированные решения по управлению предприятиями, занятыми производством строительных материалов и изделий из промышленных отходов. Вычислительные эксперименты показали, что для повышения качества прогнозных экологических оценок последствий принимаемых решений необходимо создавать локальные базы данных, содержащих информацию о динамике энергопотрсблешш.

Установлено, что взаимодействие газов с веществом бетона при процессе ократирования происходит за счет проникновения газов в пористую структуру бетона н диффузионного переноса газовых молекул в микропорах и по внутренним поверхностям твердого скелета. Система внутренних пор является в этом случае транспортными каналами для проникновения газов внутрь бетона. Молекулы газов будут сорбироваться тнер-' дымн поверхностями транспортных каналов, а затем вступать в химические реакции с ва:.:--:стг,ом бетона. Следовательно, процессы диффузионного переноса углекислого газа и фтористого кремния в Сетоне нссбхорйло учитывать при оценке экологической рациональности технологий производства бетонов. Математическая модель диффузии i-ró геза в твердой фазе, учитывающая сорбцию газа веществом батоаэ имеет вид:

ОС: гч О C¡ г,_1 ...

ir-^Tf-1'W" №

di д\

e1(x,0)»0,c,(p,l)-cI{,) - const, limCj »•« , (5)

где с, — концентрация i-го газового комлокллл в плог-зй емгеч, ксл'«».-аусмой дях окричирослиий (здео. ¡=1 для углекислого пи- н 1=2 д.!.; «'-¡»'рп-стощ кремния); cw — (.онценграм'.;' ¡-»о газа а паоаой ся-.си па £»¡c¡u:vií поверхности обрабатыпаемшо 6ctc»:»í.; Г, — носголшш:. Генри дд.. ujuawi:-са сорбции 1-го газа новшеством Gcioua; - hu'ííuiuúvi скорость гирбшш i-ro газа; D, — коэффициенты зффектнечой диффу :r;¡.

Динамика концет раций i-го газд г. нор.т.тш*» стру-.стург бетона пред ciavjwuü. m рис. Обрайэша результат ou ьычт:лг.ч;ы пэхазы^ет, что концентрация и диффузионный поток прошт-лпи-чо и иормстуо структуру беюпа, стремдгея к некоторым nonor.i;uus! зшчэвияк, гоюрыо досгшаются через достаточна большое вргмл, которое, как празлю, больше длительности процесса окрашрз&кшя.

а)

б)

о.э

0.2

a.os

' 1/ Г '

1

ti

•

0.01

' q.003

а I

£)0.00б ч

■и и ы

0.004 0.002

10 t -»

1 ■

-

1\\

у

. 0.02 0.04 0.06 0.03

X ->

Рис. При (итir¡) -10' Неравном: 1 - 1; 2 -5; 3-10; 4- 30; 5 - 50; 6 - 70; 7 - 90; 8 -100; 9 - 200; 10-400

Установлено, что процесс газообмена с атмосферой при ократиро-вашш бетонных изделий вполне возможно рассматривать при следующих допущениях: концентрация газов ократирования в камере, заполненной га зами, зависит только от времени; изменение концентрации газов в рассматриваемом объеме происходит очень быстро.

• Тогда физически обоснованным и практически целесообразным является использование методов интегральной газовой динамики. В дифференциальной форме уравнение баланса массы газа в камере ократирования можно записать в следующем виде:

dt

(б)

(5;

где в,,,,. - суммарная площадь внешних поверхностей изделий, находящихся в камере ократирования, м2;

f(t) ехр('гГЧ(О)0, |Ц0) с.

-Я 1 Г,

i Г,

Результапл расчетов функции 1"(1) для широкого интервала значений физико-химических свойств бетонов лсказыг<:гот, что эти функция, как правило, имеет линейный вид. Обобщение результатов вычислительных экспериментов позволяет представить расчетную зависимость выбросов Загрязнителей в атмосферу в следующем виде:

'•Mi-ON„C1((I){caP[-S„.VD;J(8)]} , (7)

где Mj --масса-валовых выбросов ¿-го используемого при окрагирова-нии, в атмосферу;-кг/год; О - объем кьмерм окра. ^хиалп«, м3; N„ - число циклов ократироаынк-в течение года, 1-тс;..

В зависимость (7) входи г бедозшряом виде интеграл от ' Ja«р (u:pJ)T/Ti)i Т - длительное • ь иро) ¡есса окрглироедшя;

и- ' чЛ

\

" UÜ0ST ' 1 i

1 ...... ,(1-Л

' D

Результаты вычислительного эксперимента позволили получить приближенные значения этой функции и для практических расчетоз предлагается следующая формула:

к,0е при0<©£2, 10 + к26 при 2 < в £ 20, к3Э при Э > 20.

(8)

Коэффициенты зависимости (8) приведены в табл. 3. Значения коэффициента'корреляции близки к 1, что свидетельствует о высокой точности аппроксимации.

Таблица 3

}

Интервал Численное Коэффициент

Параметр Значений значение корреляции

параметра . параметра

Зо 2 ... 20 1,082 0,999

к! 0 ... 2 2,171 0,999

к2 2 ... 20 1,059 • • 0,999

к3 >20 1,0 0,999

. 0 ... 2 0,548 0,999

Для автоматизированного расчета нестационарного поля концентраций углекислого газа или фтористого кремния в слое бетона и динамики, диффузионного потока ¡-го газа, поступающего в вещество бетона, разработан комплекс программных средств, который реализуется в приклад- - ном пакете МаЛетаИса 2.2. Разработанное математическое обеспечение было использовано для проведения вычислительного эксперимента, в котором коэффициент эффективной диффузии изменялся в диапазоне 1СГ7... Ю:6 м2/с, а отношение начальной скорости сорбции газов веществом бетона К константе Генри от 10"4 до 5.10"2 1/с. Анализ трехмерных изображений 1рафиков изменения величины 2с,/с,1м в пространстве и времени при Ц[(0/Г(=1041/с и ОрЮ"5 м2 наглядно свидетельствует о монотонном убывании этой функции и ее стремлении к асимптоте. Практическая апробаций расчетной зависимости (7) показала удовлетворительную сходимость как с данными натурных наблюдений, так и с результатами лабораторных экспериментов. Для практических расчетов М| разработаны программные средства на основе пакета прикладных программ МаШешаИса 2.2. В целом практическая апробация разработанных -технологий на предприятиях стройиндусгрий Тульской области свидетельствует об их экологической

эффективности и больших перспективах с точки зрения рационального использования природных ресурсов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе на основе экспериментальных и теоретических исследований установлены новые и уточнены существующие закономерности взаимодействия компонентов отходов горно-металлургических и химических, предприятий и разработаны экологически рациональные технологии производства строительных материалов и изделий с использованием промышленных отходов, что имеет важное социальное значение для промышленно развитых регионов России.

Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем.

1. На территориях промышленно развитых регионов России образуются отходы производства, которые вследствие повышенной токсичности или ряда других причин не находят широкого применения ни в Рдной отрасли экономики, в том числе и в производстве строительных материалов. К числу малоиспользуемых отходов относятся металлургические шлаки, стоки химических производств, отходы угледобычи, буроугольные золы, шлам газоочистки доменных печей, и многие другие.

2. Целенаправленный синтез из двух или нескольких легко смешивающихся между собой отходов в результате процесса химического взаи-

* модействия, протекающего между компонентами смешивающихся отходов, может образовывать нетоксичный конечный продукт, играющий роль ценной добавки или сырья для производства строительных материалов.

• 3. Кубоаыс остатки от очистки газов метаноламиновым раствором повышают пластичность легкоплавких глин, снижают температуру обжига и соответственно повышают прочность керамического кирпича, а применение попутных отходов технолопвд получения аммиака в производстве строительного кирпича, растворов, бетонов способствует повышению качества и физико-механических свойств этих материалов. При этом можно заменить дорогостоящие пигменты, на пример железный сурик, отработанными катализаторами.

4. Разработаны новые технические решения изготовления бетонных Изделий и получены нолые составы керамической массы, мастично-песчаного шпаклевочного раствора и формовочной вяжущей смеси (новизна технических решений подтверждается положительными решениями государственной патентной экспертизы), которые обеспечивают вовлечение в технологические процессы отводов химической полировки стеклоиз-делий, углекислый газ, 'гетырехфторнстый кремний, некондиционные кварцевые пески, битое стсыю, брака ксрмаНЧеекогО Черепка, буроуюль-ную зоЛу Подмосковного угольного бассейна, отходы производства пар-

фгомерно-косметической промышленности и производства кагфолактама.

5- Выработка управляющих воздействий при реализации различных технологий переработки отходов или принятие решений о строительстве тех или иных технологических узлов должны осуществляться с учетом реальных связей между всеми контролируемым» факторами, а оптимизация процесса, переработки отходов и получения из них строительных материалов'может быть формально сведена к задаче линейного программирования, где целевая функция характеризует суммарную энергоемкость технологических операции.

6. Взаимодействие газов с веществом бетона в процессе окрптиро--вания происходит за счет проникновения газов в пористую структуру бетона и диффузионного переноса газовых молекул в микропорах и по внутренним поперхностям твердого скелета.

7. Для значений коэффициента эффективной диффузии 10'7 ... 106 м2/с и отношения начальной скорости сорбции газов веществом бетона к константе Генрн 10~4 ... 5.10 " 1/с нестационарные одномерные поля концентраций и диффузионные потоки газов, используемых при ократирова-нин, представляют собой монотонно убывающие функции, которые стремятся к некоторому асимптотическому значению..

8. Физически обоснованным и практически целесообразным является использование методов интегральной газовой динамики для расчета соловых выбросов газов окрзтирования в атмосферу. Адекватность полученных результатов подтверждается положительными результатами внедрения и промышленной «пробацнн-па предприятиях стройшщустрин.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах.

1. Катурин Н.М., Рябов Р.Г., Егорычев Л.К., Рябов Г.Г., Горбачева М.К, Пути повышения надежности охраны окружающей среды при утилизация отходоэ з промышленности строительных материалов // 1 Международной конференция «Наука и экологическое образование. Практика и персгектлпы»; СС>. ст./ Тула, 1997. - С. 255-261.

2. Качурцц Н.М., Егоркчсв Л.Х., Рябов Г.Г., Рябов Р.Г., Горбачева М.И. Утллнз'га::л шламовых отходов от обработки хрусталя п промышленности строительных материалов // 1 Международной конференция «Наука и экологическое образование. Практика и перспективы»; Сб. ст./ Тула, 1997. - С. 264-266.

3. Качурин Н.М.,.Горбачева М.И., Рябов Г.Г., Рябов Р.Г., Егорычев Л.К. Рациональные пути утилизации в промышленности строительных материален отходоз производства АО "Азот" // Известия ТулГУ. Серия

"Экология и безопасность жизнедеятельности"/ ТулГУ - Тула, 1997, - С. 163-166.

4. Качурин Н.М., Горбачева М.И., Рябов Г.Г., Рябов Р.Г., Егорычев Л.К. Нетрадиционный способ переработки малоиспользуемых отходов для утилизации в промышленности строительных материалов // Известия ТулГУ. Серия "Экология и безопасность жизнедеятельности"/ ТулГУ - Ту-ла,1997,-С. 166-169.

5. Качурин Н.М., Рябов Р.Г. Комплексное использование отходов -эффективный способ защиты окружающей среды // Известия ТулГУ. Серия "Экология и безопасность жизнедеятельности"/ ТулГУ - Тула, 1997. -С. 173-176.

6. Качурин Н.М., Рябов Г.Г., Рябов Р.Г. Комплексное использование техногенных отходов при производстве бетонов и вяжущих смесей для угольных шахт // 1 Международная Конференция «Проблемы создания экологически чистых и ресурсосберегающих технологий добычи полезных ископаемых переработки отходов горного производства»; Сб.ст./ Тула, 1996. - С. 202-204.

7. Качурин Н.М., Рябов Р.Г., Егорычев Л.К. Использование отходов химических предприятий для декоративных строительных растворов // Научно-практическая конференция "Белые ночи''; Сб.ст. / Санкт-Петербург 1997. - С. 139-142. ' '

8. Качурин Н.М., Рябов Р.Г. Прогноз протекания самопроизвольных процессов в производстве строительных материалов // «Экология и общественность»; Сб.ст./ Тула, 1997. - С. 45 - 48.

9. Соколов Э.М., Качурин Н.М., Рябов Р.Г., Егорычев Л.К. Утилизация буроугольных зол и жидких химических отходов, в производстве бетонов // Научно-практическая конференция "Белые ночи"; Сб.ст. / Санкт-Петербург 1997. - С. 150-152.

10. Качурин Н.М., Рябов Г.Г., Егорычев Л.К., Рябов Р.Г. Пути использования шламовых отходов от обработки хрусталя в промышленности строительных материалов // 5 Международный горно-геологического Форум «Природные ресурсы стран , СНГ»; Сб.ст./ Санкт-Петербург, 1997. г С.128.

11. Качурин Н.М., Рябов Р.Г., Егорычев Л.К., Горбачева М.И., Рябов Г.Г. Керамическая масса для облицовочных изделий. // Патент РФ № 2099307. // Зарегистрирован в. Государственном реестре изобретений 20.12.1997. " '

12. Качурин Н.М., Рябов Р.Г., Егорычев Л.К., Горбачева М.И., Рябов Г.Г. Положительное решение по заявке на изобретение № 96123955/03 «Способ изготааления бетонных изделий».

13. Качурин Н.М., Рябов Р.Г., Егорычев Л.К., Горбачева М.И., Рябов Г.Г. Положительное решение по заявке на изобретение Ла 96119379/03 «Способ изготавления изделий».

14. Качурнн Н.М., Рябов Р.Г., Егорычев Л.К., Горбачева М.И., Рябов Г.Г. Положительное решение по заявке № 96! 19147/04. «Формптючнгл вяжущая смесь».

15. Качурин Н.М., Рябов Р.Г., Егорычев Л.К., Горбачева М.И., Рябов Г.Г. Состав строительного раствора. // Патент РФ № 2099302. Зг,регистрирован в Государственном реестре изобретений 20.12.1997.

Подписано а печать ty.PS'.'Ji. Форчаг бумаги (¡0x84 5/1С. Ьумна тшогргфжаа Kt I Офсстнаи печать. Усл. л. { , Усл. кр.-отт. ¡, f .Уч. взд.л. О Тира* /СО ма. Закгз .¿¿J/ .

Тульский государственный университет. 3CB60S, г. Тула, вр. Л£Ы>:на, 92. Редякцлоиао- (.-¿/ательск^й ■:r(jгJ- Тульч..:.тО гъсуларьгзсянсго университета. ЗОвт, I. Тула, pi. &.;■.„■ : ;, 151