Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Разработка способа озонирования сбросовых газов черной металлургии для снижения выбросов оксида углерода в атмосферу

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

Автореферат диссертации по теме "Разработка способа озонирования сбросовых газов черной металлургии для снижения выбросов оксида углерода в атмосферу"

На правах рукописи

ПРОВОДНИКОВА Светлана Олеговна

ГГБ ОД

2 я га ш

РАЗРАБОТКА СПОСОБА ОЗОНИРОВАНИЯ СБРОСОВЫХ ГАЗОВ ЧЕРНОЙ МЕТАЛЛУРГИИ ДЛЯ СНИЖЕНИЯ ВЫБРОСОВ ОКСИДА УГЛЕРОДА I?

АТМОСФЕРУ

11.00.11 - "Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2000

Работа выполнена на кафедре «Промышленной экологии и безопасности жизнедеятельности» Экологического факультета Российского университета дружбы народов.

Научный руководитель:

член-корреспондент МЛНЭБ,

кандидат технических наук Б.Д.Суслсню

Официальные оппоненты:

доктор технических наук ' Б.Ф.Чурбако]

доктор химических наук Б.Е.Зайцев

Ведущая организация-

Научно-исследовательский институт проблем охраны труда

С диссертационной работой можно ознакомиться в Научной библиотеке Российского университета дружбы народов по адресу: 117302, Москва, ул. Орджоникидзе, д.З.

Защита диссертации состоится «-*/^>> на заседании диссертационного совета К 053.22.26 в Российском университете дружбы народов по адресу: 117302, Москва, ул. Орджоникидзе, д.З.

Автореферат разослан «

/4

2000г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент

к320.94,0

• Долгуши!

Актуальность работы. Черная металлургия является одной из ысокоразвитых отраслей тяжелой промышленности и включает в себя ледующие основные производства и технологические структуры: ;елезорудную, марганцевую, хромитовую, имеющие в своем составе шахты, удники, карьеры, подводную добычу, процессы передела сырья; все виды богащения, а также доменное и прокатное производство.

ерная металлургия оказывает значительное влияние на окружающую риродную среду, причем, основная доля выбросов приходится на оксид глерода-68,1%, сернистый ангидрид-10,22% и оксиды азота-5,85%.

металлургическом производстве внедрены специальные природоохранные 1стемы, снижающие выбросы выше перечисленных оксидов, в основу эторых положены явления адсорбции, абсорбции и катализа. Однако рименение абсорбционных и адсорбционных способов требует значительного 1схода жидких растворов солей, кислот и щелочей. Каталитические методы не ашли широкого применения вследствие высокой стоимости сорбентов и тчнтельных объемов очищаемых газов.

аиболее дешевым способом снижения содержания оксида углерода в лбросах черной металлургии является его дожигание. Однако процесс >жигания оксида углерода наиболее эффективен при его концентрации 12 й )лее процентов. Одним из возможных способов нейтрализации оксида лерода (< 12 %) в сбросовых газах может служить озонирование этих газов, пыт озонирования воды для нейтрализации многих вредных примесей >дтверждает возможность использования озона для окисления остаточных хидов черной металлургии. Однако данные исследования, в настоящее время, : вышли за рамки первоначальных научных проработок.

ээтому исследование возможности использования озона для нейтрализации едных веществ в газовоздушных выбросах предприятий черной металлургии разработка, на этой основе, технологических методов очистки является туальной научной задачей.

Цель работы - разработать способ,озонирования сбросовых газов черно металлургии для снижения выбросов оксида углерода в атмосферу с учете; обеспечения экологической безопасности.

Идея работы заключается в способности озона проявлять окислительны свойства по отношению к органическим и неорганическим вещества,\ находящимся в жидкой, газообразной и твердой фазах.

Задачи исследования: -выполнить анализ литературных источников по защите атмосферы в черно металлургии;

-рассмотреть методологические предпосылки окисления газообразных отходе черной металлургии озоном;

-провести лабораторные и экспериментальные исследования для определен! эффективности снижения вредных веществ в газовоздушной смеси путем < озонирования; . .

-выпрлнить эколого-экономическую оценку разрабатываемого способа. Научные положения, выносимые на защиту и их научная новизна.

1. Обеспечение устойчивой эффективности способа озонирования сбросовы газов черной металлургии возможно на основании .трех форм окисляющег действия озона:

-окисление неорганических веществ с участием одного атома кислорода 1 молекулы озона;

-окисление углерод-водородных соединений с участием целой молекулы озон: -каталитическое действие кислорода, присутствующего в озонирование воздухе.

2. Выявлено совокупное влияние исходной концентрации оксида yглepo^ (12%-22%), времени воздействия (1,5-5,5 мин), производительности озонато} (30-60 г/ч) и температуры газовоздушного потока (700-1000°С) I эффективность снижения оксида углерода в среднем на 74,45%..

5. Доказано, что температура сбросовых газов металлургического (доменного) 1роизводства (700-1000°С) не оказывает существенного' влияния на эффективность процесса озонирования оксида углерода.

Достоверность результатов исследования обусловлена комплексным шализом информационных данных, проведением лабораторных и полевых экспериментов с использованием апробированных методик и оценкой надежности результатов экспериментов по статистическим критериям с использованием математических методов планирования экспериментов. Научная ценность:

■разработано регрессионное уравнение, адекватно описывающее процесс экисления оксида углерода;

■установлены периоды запаздывания окисления оксида углерода озоном в зависимости от его содержания (Т=6,48с при расходе озона Оз=4г/ч; Т=5,44с при Оэ=6 г/ч);

■озонирование сбросовых газов металлургического (доменного) производства проявляется не только по отношению к оксиду углерода, но и по отношению к эксиду азота и сернистому ангидриду с эффективностью 70,3; 55,5 и 71,4% :оответственно.

Практическое значение работы заключается: ■в разработке предложений по озонированию сбросовых газов металлургического производства по двум технологическим схемам: использование плоских озонаторов тлеющего разряда или ультрафиолетовых кварцевых ламп.

■рекомендован расход озона для окисления оксидных веществ в сбросовых газах, который должен составлять 0,5 ктОз/м3.

Результаты внедрения: Рекомендуемые технологические предложения по озонированию сбросовых -азов прошли успешную экспериментальную проверку на Мариупольском металлургическом комбинате им. Ильича.

Апробация работы:

Основные положения диссертации доложены на XXXIV научной конференцш Российского Университета Дружбы Народов в 1998г. и научно-методически: семинарах кафедры «Промышленной экологии и безопасносп жизнедеятельности» Экологического факультета Российского университет; дружбы народов.

Публикации:

Основные положения диссертации работы опубликованы в 5-и печатных работах.

Объем и структура диссертации: диссертационная работа состоит и введения, четырех глав и заключения, изложенных на 93 стр. машинописной текста, содержит 17 рис., 14 табл. и список используемых литературшл: источников из 79 наименований.

• ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Черная металлургия является одной из высокоразвитых отраслей тяжело! промышленности и включает в себя следующие основные производства I технологические структуры: железорудную, марганцевую, хромнтовую имеющие в своем составе шахты, рудники, карьеры, агрегаты подготовки I передела сырья, ферросплавное, кокосовое, известково-обжигательнсх производства, агрегаты безкоксовой металлургии, аглодоменное производств« чугуна; мартеновское, кислородно-конверторное и электросталеплавильно! производства, а также листо- и сортопрокатное производства.

На современном этапе развитие черной металлургии характеризуете: снижением показателей производства, в связи с распадом СССР, уменьшениел сырьевой базы и износом имеющегося оборудования. На этом фот проявляется снижение влияния отрасли на окружающую природную среду. Однако, фактические показатели выбросов газообразных ингредиентов I атмосферный воздух практически не изменились за последние 5 лет.

Причем, основная доля выбросов приходится на оксид углерода-68,1%, сернистый ангидрид-10,22% и оксиды азота-5,85%.

Данный факт объясняется тем, что за истекший период не произошло качественного изменения технологии в металлургическом производстве.. Выбросы крупных предприятий металлургии загрязняют атмосферный воздух в радиусе от нескольких десятков до тысяч км. Общий вид, кинетики распространения вредных веществ в приземном слое атмосферы соответствует функции нормального распределения с математическим ожиданием максимального количества выброса составляющих организованных выбросов на расстоянии двух км. Степень рассеивания зависит от. многих факторов: скорости и направления ветра, наличия восходящих потоков, влажности и т.д. Ухудшение физических и химических свойств атмосферного воздуха в районах, предприятий черной металлургии отрицательно сказывается на, здоровье населения и угнетающе действует на растительный и животный. мир.

Вместе с тем, следует отметить тот факт, что в отрасли принимались и принимаются необходимые меры по снижению выбросов газообразных веществ на основе более качественного использования ,л топлива в металлургическом производстве и внедрением специальных технических :истем, обеспечивающих нейтрализацию сернистого ангидрида, оксидов азота я углерода. .-■>,.

Основой природоохранных мероприятий служат физико-химические 1роцессы адсорбции, абсорбции, катализа и термического окисления. Эднако, применение абсорбционных и адсорбционных способов требуе? ¡начительного расхода жидких растворов солей, кислот и щелочей. Каталитические методы не нашли широкого применения вследствие высокой гтоимости сорбентов и значительных объемов очищаемых газов. Наиболее дешевым способом снижения содержания оксида углерода является ;го дожигание. Однако, процесс дожигания оксида углерода наиболее

эффективен при его концентрации 12 и более %. Данный факт объясняется нижним пределом его воспламенения.

До настоящего времени остается открытым вопрос глубокого доокисления оксида углерода, - т.к. при его концентрации менее 12% вышеупомянутый способ дожигания не обеспечивает заданной эффективности.

Анализ литературных источников показал, что одним из возможных и перспективных способов нейтрализации вредных ингредиентов в сбросовых газах металлургии может служить озонирование газо-воздушных смесей. Однако, данные исследования не вышли за рамки первоначальных научных проработок. Широко используемый способ озонирования воды подтверждает возможность использования озона для нейтрализации газообразных продуктов черной металлургии. ' .

Озон является составной частью биосферы и представлен аллотропной модификацией кислорода, обладая большой химической активностью. Озон образуется из 02 при электрическом разряде (во время грозы) и под действием жесткого ультрафиолетового излучения солнечных лучей в стратосфере на высоте 10-50 км с максимальной концентрацией на высоте 20-25 км. Озонный слой Земли является естественным экраном защиты биосферы от губительного излучения ультрафиолета Солнца. Вместе с тем, озон атмосферы Земли очищает ее от возможного накопления в ней газопылевых аэрозолей, вследствие его высокой окислительной способности.

Из химии озоНа известно, что атом кислорода может взаимодействовать с молекулой озона по реакций:

: 0+0З«->202 (1)

При этой реакции выделяется 95 ккал. Поэтому, если рассматривать механизм реакции 203=302, то его следует представить в виде:

Оз 02+0 -24 ккал . . 0+03<-> 202 +95 ккал (2)

20з <-> 302 +71 ккал

Отсюда следует, что тепловой эффект реакции равен 35,5 ккал на один моль озона, т.е. реакция превращения озона в кислород является экзотермической. Именно этим объясняется взрывчатость озона.

Рассматривая окислительные свойства озона нами выделено три формы его действия (табл.1):

Первая-окисление неорганических веществ с участием одного атома кислорода из молекулы озона;

Вторая-присоединение части молекулы озона к углерод-углеродным связям;

Третья-каталитическое действие озона при участии целой молекулы озона при окислении углерод-водородных веществ.

Исходя из этого, озон обладает мощным бактерицидным действием, обеспечивает обесцвечивание воды, снижает концентрации нерастворимых в воде веществ, устраняет привкусы и запахи в воде, позволяет очищать воду от фенолов и других соединений.

Озон самопроизвольно диссоциирует в воздухе при нормальной температуре. На распад озона оказывают быстрое действие вода, ее рН, наличие щелочей. В отношении температуры известно, что при повышении температуры от нормальных значений наблюдается повышенное его действие на окисляемые элементы, затем следует повышение скорости окисления, а при более высоких температурах наблюдается повторное снижение активности озона.

Учитывая тот факт, что перечисленные процессы практически не изучены для процессов нейтрализации газообразных аэрозолей на предприятиях черной металлургии нами поставлены задачи проведения лабораторных и натурных экспериментов, в основу которых положены апробированные методики физико-химических исследований и методы математического планирования экспериментов. .

Таблица 1

Формы окисляющего действия озона

I 11 III

Окисление с участием одного атома кислорода из молекулы озона Присоединение целой группы озона в окисляемое гвещество с образованием озонидов Каталитическое усиление окисляющего воздействия кислорода, присутствующего в ~ озонированном воздухе.

Реакции с неорганическими веществами ^Оз БОг + ЬХ -*Б02 да+о3=ш2+о2 со+о3=со2+о2 Реакция с углеродсодержащимй веществами 0 ; -с-с-о 1 о Реакция с углеродсодержащими веществами сн,+о,Н5ОННСНОНСО ОН-> СОг

Где h-постоянная Планка 6,62617бх10':,4Дж»с Х-длина волны электромагнитного излучения (280-320 им)

В общем виде окисление оксида углерода будет осуществляться по следующей формуле:

СО+Оз-е» С02+02+ккал (3)

Важным элементом практической реализации способа окисления оксида углерода озоном является определение дозы подаваемого окислителя в аэрозольный поток, в зависимости от его объемной скорости, температуры и наличия других ингредиентов, способных вступать в реакцию с озоном.

Эксперименты основаны на изучении процесса окисления оксида углерода озоном в трубчатом реакторе, оснащенном системой контроля за содержанием СО, температуры, скорости потока газовой смеси в режиме турбулентного потока. При этом, установлено (рис. Ь, а), что кинетика окисления оксида углерода при влажности воздуха - 50-70% подчиняется практически линейной зависимости и достигает 70% эффективности при содержании СО 10-12% (рис.1, а). Коэффициент передачи системы

, ° (4)

Аф %ашжп.

напротив уменьшается с изменением влажности, что свидетельствует об ослаблении влияния озона с увеличением влажности. Система описывается следующим выражением:

Ссо(МОзИС™"-Кс*ср]+ Кс*ф[ехр (5)

' е

где Ссо(МОз)-текущее значение концентрации СО, %

С™"-максимальное значение концентрации СО в исходном газовоздушном потоке, %

АС"","-макси малы юс возможное изменение концентрации от исходного значения С™", %

М Оз-расход озона (производительность озонатора), г/ч

#

8 «

5

3.0 5.0

Концентрация 5зснл, Со-. гЬ

50 т

а) 1,2,3- при относительной влажности газо-воздушной смеси 50,70 и 90% соответственно

б) 1,2,3- количество озона в экспериментах-2,4, и 6 г/час соответственно

рис.1. Кинетика окисления оксида углерода озоном в зависимости от влажности (а) и температуры (б).

з £ § *

-ч__

сл 5

•а

ы я

8»5

н о я т, = <1

2 §

0 " = «<

£ 3

1 О

С § а о

1 § о 5

о ш

— сэ Б и ы

О 05

•я к о о

2 = 2

е о ^ н

5 »

•о

о 2 <5

И

о

в

п о

я о

В>

О

&

о

3

КОНЦЕНТРАЦИЯ СО, м г/ м1

сл о 01 о а О № К) о

1 , | 1 1 1 У * 1 1 ____1_у 1 1А А '

ЧМ Ч) 1 1 . 1 1 1 // 1 1 1/ 1 1 ф. 1 /1 1 1

и ■и 1 // . — А— . 7/1 / 1 :_!----- I- Чу « 1 / 1 —-1--- 1 / 1 1// 1 1 4 — 1 1

01 о 7 / «л" / г / 1 —1-1 —1- 1 1 -г.---- 1 01 / 1 1 1 -г— 1 1

п ш / 1 Г 1 1 1 1 1 1 1 >1 г* о. в / 1 1 г----Г" 1 1 1 1 1 1 »

Раскол аоадо*. м/о р

Тс-постоянная системы, определяющей расход озона, при котором в системе концентрация СО изменилась бы на величину дс, если бы изменялась с максимально возможной скоростью.

Выражение (5) может быть использовано в расчетных целях.

Выработка озона озонатором наглядно иллюстрируется изолиниями номограммы, приведенной на рис.2. Варьируя значениями мощности озонатора и расходом воздуха можно получить заданное значение образования озона.

Динамика окисления оксида углерода, приведенная на рис.2 носит ярковыриженный убывающий экспоненциальный характер, причем период инерционности в первом случае, составляет 6,48 с, а во втором-5,44 с при расходе озона 4 и 6 г/ч соответственно и подчиняется следующему уравнению:

Ссо=С"о *ехр (---) (6)

Кинетика окисления СО озоном в зависимости от температуры приведена на рис.1, из которого видно, что при температуре 250-350НС наблюдается спад окисления, а в дальнейшем процесс окисления возобновляется.

Процесс окисления оксида углерода зависит от многих факторов. Поэтому в работе исследовано совокупное влияние основных факторов на эффективность озонирования газовой смеси доменного производства, по методике ПФЭ.

К изучению приняты следующие краевые условия следующих основных факторов:

-Су-исходная концентрация оксида углерода (12-22%); 4- время эксперимента (контакта) (1,5 -5,5 мин ); -С0-проиэиодитсльность озонатора (30-6- г/час); . -Т-температура потока (700-1000°С)

Матрица планирования экспериментальных исследований и полученные результаты приведены в табл.2.

Таблица 1.

Матрица планирования 11ФЭ 2°=22=1б

и Xl х2 Хз х4 у: у«

С% t,MHH Со, г/час Т,°С Y,', % у2',% у; }', эффект нвность si

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

1. - - - - 2,25 2,35 2,30 80,8 0,005

1 1,5 700 *

2. + - - - 4,63 5,03 4,83 78,1 0,080

22 30

3. - + - - 3,07 3,19 3,13 73,9 0,007 ■

5,5

4. + + - - 8,01 7,55 7,78 64,6 0,106

5. - - -Н60) - 3,44 3,36 3,40 . 11,6 0,03

6. + - + - 6,45 6,71- 6,58" 70,0 0,034

7. - + + - 3,45 3,69 3,57 70,25 0,029

8. + + + - 8,40 8,16 8,23 62,6 0,027 .

9. - - - + (1000) 2,58 2,68 2,63 78,.1 0,005 :

10. + - - + 5,37 5,71 5,54 74,8 0,058

11. - + - + 2,95 3,19 3,07 74,4 0,029

12. + - + + 7,04 7,22 7,13 67,6 0,016

13. - - + + 3,24 3,02 3,13 73,9 0,024

14. + - + + : 6,02 6,38 6,20 71,8 0,065

15. - + + + 3,83 3,63 3,73 68,9 0,020

16. + + + + 7,73 7,19 7,46 66,1 0,146

17. 17 3,5 45 850 5,14 5,02 5,58 67,2 . . • ¿Л-'=1,254

>U=7M5%

где )',*,//-экспериментальные данные, %

Обработка полученных результатов позволила получить уравнение регрессии адекватно описывающее процесс окисления от выбранных факторов:

У=-1,337+0,241Су-0,2781+0,025Со+0,034Су1 (7)

Полученное уравнение показывает, что эффективность озонирования газовой смеси сбросовых газов металлургии, в основном, определяется исходными концентрациями оксида углерода и озона, и в меньшей степени зависит от температуры исходящих газов.

Промышленная апробация способа озонирования сбросовых газов металлургического производства проводилась на Мариупольском Металлургическом комбинате им. Ильича с использованием стандартного озонатора тлеющего разряда ОП в реакторе трубчатого типа. При этом, фиксировались изменения концентрации оксида углерода, оксида азота и сернистого ангидрида в течение 60 суток. Эксперименты показали во всех случаях наблюдается снижение данных вредных веществ в среднем на 65-73%, что несомненно говорит о,технической целесообразности использования озона для нейтрализации основных вредных выбросов металлургического производства.

Эколого-экономическая оценка способа озонирования газовоздушной смеси сбросовых газов на 1 ООО т выбрасываемых веществ может достигать 82 990 руб. по показателю предотвращенного ущерба.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе решена актуальная научная задача разработки способа озонирования

сбросовых газов черной металлургии для снижения выбросов оксида углерода в

атмосферу и получены следующие выводы: -

1. Черная металлургия оказывает значительное влияние на окружающую природную среду по показателям выброса оксида углерода (68,1%); сернистого ангидрида (10,22%) и оксида азота (5,85%).'

2. Снижение оксидных компонентов достигается в основном путем применения адсорбционных и абсорбционных методов и катализа, но при этом требуются значительные экономические.затраты.

3. Озонирование газо-воздушных смесей технологически реализуемо и достигается за счет трех форм окисляющего действия озона: окисление неорганических веществ с участием одного атома кислорода из молекулы озона; участием целой молекулы озона й каталитическим действием кислорода, присутствующего в озонированном воздухе. I >

4. Получено регрессионное уравнение адекватно описывающее процесс окисления оксида углерода озоном от совокупного влияния исходной концентрации СО (1222%), времени воздействия (1,5-5,5 мин.), производительности озона (30-60 г/час) и температуры газо-воздушного потока (700-1000 С).

5. Получено уравнение описывающее процесс окисления оксида углерода озоном в зависимости от влажности среды, при этом установлено, что наибольший эффект •достигается при влажности 50-70%.

6. Установлены периоды запаздывания окисления оксида углерода озоном в зависимости от его содержания.

7. При озонировании сбросовых газов наблюдается снижение оксида углерода на 70,3 %, оксида азота на 55,5% и сернистого ангидрида-71,4%.

8. Установлен необходимый расход озона для окисления оксидных веществ в сбросовых газах.

9. Эколого-экономическая оценка способа озонирования газо-воздушной смеси сбросовых газов на 1000 т выбрасываемых веществ может достигать 82 990 руб. по показателю предотвращенного ущерба.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Б.Д.Сусленков, О.В.Казанцева, С.О.Проводникова. Методология взаимодействия предприятий ТЭК с окружающей средой. - М., 2000,- Зс.-Деп.в МГГУ, 18.01.2000, № 325.

2. О.ВКазанцева., С.О.Проводникова, Б.Д.Сусленков. Методические подходы к разработке модели оценки устойчивости взаимодействия в системе производство - окружающая среда. - М., 2000,- Зс.-Деп.в МГГУ, 18.01.2000, № 322: ••,.■•

3. Б.Д.Сусленков, О.В.Казанцева, С.О.Проводникова. Низкотемпературные принципы нейтрализации углеродсодержащих веществ на предприятиях ТЭК и металлургии. - М., 2000,-4с.-Деп.в МГГУ, 18.01.2000, № 324.

4. Проводников О.В., Проводникова С.О Выбор технических средств контроля экологии окружающей среды. - Мариуполь, 1997, - 29с.-Тезисы докладов IV региональной научно-технической конференции, ^-«Электроэнергетика».

5. Проводникова С.О. Проблемы влияния производства на окружающую среду. -М., 2000,- Зс.-Деп.в МГГУ; 18.01.2000, № 321.

6.O¿/,gÜ£>0 CcZ-ejU/ /V /с^д -¿£0?г*, 7 с3, Tu», ¿//?¿ Р VDW,

ПРОВОДИИКОВА Светлана Олеговна (Россия) Разработка способа озонирования сбросовых газов черной металлургии для снижения выбросов оксида углерода в атмосферу

Диссертация посвящена актуальной проблеме разработки способа озонирования сбросовых газов черной металлургии для снижения выбросов оксида углерода в атмосферу. Рассмотрены физико-химические свойства озона по отношению к неорганическим и органическим веществам. Исследовано влияние озона на процесс окисления оксида углерода в зависимости от влажности среды и температуры газо-воздушной смеси. Получено, что эффективность озонирования сбросовых газов зависит от исходных концентраций оксида углерода и озона, в меньшей степени-от температуры отходящих газов. Эксперименты показали снижение концентрации вредных веществ в отходящих газах в среднем на 65-73%, что говорит о технической целесообразности использования озона для нейтрализации основных вредных выбросов металлургического производства.

Svetlana О. Provodnikova (Russia) "Development of the way of dropping gas ozonization in Ferrous Metallurgy to rcduce carbon oxide disposal to the Atmosphere"

The thesis is devoted to the important problem of development of the way of dropping gas ozonization in Ferrous Metallurgy aimed at reduction of carbon oxide concentration in gas disposal to the Atmosphere taking into consideration ecological safety. Physical and chemical properties of ozone have been considered. Ozone influence on oxidation of carbon oxide depending on set humidity and temperature of air-gas mix have been studied. It was proved that the effect of dropping gas ozonization mainly depends on outset concentrations of carbon oxide and ozone. Technical advisability of dropping gas ozonization in Ferrous Metallurgy has been shown by conducted tests.

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Проводникова, Светлана Олеговна

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. АНАЛИЗ ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ ПО

ЗАЩИТЕ АТМОСФЕРЫ В ЧЕРНОЙ МЕТАЛЛУРГИИ.

1.1. Общие сведения о влиянии черной металлургии на атмосферу.

1.2. Экологическая опасность выбросов в атмосферу газообразных веществ.

1.3. Мероприятия по защите воздушного бассейна на промышленных предприятиях.

1.3.1. Очистка газов от сернистых соединений.

1.3.2. Очистка газов от Ж)х и других соединений азота.

1.3.3. Способы извлечения и обезвреживания оксида углерода

1.4. Постановка задач научных исследований.

ВЫВОДЫ по главе 1.

Глава 2. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ОЗОНА И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ ОКИСЛЕНИЯ

ГАЗООБРАЗНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ОЗОНОМ.

2.1. Физико-химические свойства озона.

2.2. Технологические предпосылки реализации озонирования отходящих газов в металлургии.

ВЫВОДЫ по главе 2.

Глава 3. ЛАБОРАТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА

ОЗОНИРОВАНИЯ ОКСИДА УГЛЕРОДА.

3.1. Исследование основных физико-химических свойств

Воздуха.

3.1.1. Отбор проб воздуха.

3.1.2. Определение оксида углерода.

3.1.3. Определение оксида серы.

3.1.4. Определение оксидов азота.

3.1.5. Определение озона.

3.2. Принципиальная схема лабораторной установки.

3.3. Планирование экспериментальных исследований при изучении окислительной способности озона.

3.3.1. Лабораторные исследования совокупного влияния основных факторов на окисление оксида углерода по плану полного факторного эксперимента.

3.4. Анализ результатов лабораторных исследований.

3.4.1. Анализ результатов исследований кинетики и динамики окисления оксида углерода озоном.

3.4.2. Анализ результатов экспериментальных исследований по плану полного факторного эксперимента.

ВЫВОДЫ по главе 3.

Глава 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ОЗОНИРОВАНИЯ ОКСИДА УГЛЕРОДА В ЧЕРНОЙ МЕТАЛЛУРГИИ.

4.1. Принципиальная схема проведения экспериментальных исследований.

4.2. Анализ результатов экспериментальных исследований.

4.2. Эколого-экономическая оценка способа озонирования сбросовых газов доменного производства черной металлургии.

ВЫВОДЫ по главе 4.

Введение Диссертация по географии, на тему "Разработка способа озонирования сбросовых газов черной металлургии для снижения выбросов оксида углерода в атмосферу"

Актуальность работы:

Черная металлургия является одной из высокоразвитых отраслей тяжелой промышленности и является одним из серьезных источников загрязнения окружающей природной среды, причем, основная доля выбросов приходится на оксид углерода-68,1%, сернистый ангидрид-10,22% и оксиды азота-5,85%.

В металлургическом производстве внедрены специальные природоохранные системы, снижающие выбросы выше перечисленных оксидов, в основу которых положены явления адсорбции, абсорбции и катализа. Однако применение абсорбционных и адсорбционных методов требует значительного расхода жидких растворов солей, кислот и щелочей. Каталитические методы не нашли широкого применения вследствие высокой стоимости сорбентов и значительных объемов очищаемых газов.

Наиболее дешевым способом снижения содержания оксида углерода в выбросах черной металлургии является его дожигание. Однако процесс дожигания оксида углерода наиболее эффективен при его концентрации 12 и более процентов. Одним из возможных способов нейтрализации оксида углерода (<12 %) в сбросовых газах может служить озонирование этих газов. Опыт озонирования воды для нейтрализации многих вредных примесей подтверждает возможность использования озона для окисления остаточных оксидов черной металлургии. Однако данные исследования, в настоящее время, не вышли за рамки первоначальных научных проработок. Поэтому исследование возможности использования озона для нейтрализации вредных веществ в газовоздушных выбросах предприятий черной металлургии и разработка, на этой основе, технологических методов очистки является актуальной научной задачей.

Цель работы: разработка способа озонирования сбросовых газов черной металлургии для снижения выбросов вредных веществ (оксида углерода) в атмосферу с учетом обеспечения экологической безопасности.

Идея работы заключается в способности озона проявлять окислительные свойства по отношению к органическим и неорганическим веществам, находящимся в жидкой, газообразной и твердой фазах. Задачи исследования:

-выполнить анализ литературных источников по защите атмосферы в черной металлургии;

-рассмотреть методологические предпосылки окисления газообразных отходов черной металлургии озоном;

-провести лабораторные и экспериментальные исследования для определения эффективности снижения вредных веществ в газовоздушной смеси путем ее озонирования;

-выполнить эколого-экономическую оценку разрабатываемого способа. Научные положения, выносимые на защиту и их научная новизна:

1. Обеспечение устойчивой эффективности способа озонирования сбросовых газов черной металлургии возможно на основании трех форм окисляющего действия озона:

-окисление неорганических веществ с участием одного атома кислорода из молекулы озона;

-окисление углерод-водородных соединений с участием целой молекулы озона; -каталитическое действие кислорода, присутствующего в озонированном воздухе.

2. Выявлено совокупное влияние исходной концентрации оксида углерода (12%-22%), времени воздействия (1,5-5,5 мин), производительности озонатора (30-60 г/ч) и температуры газовоздушного потока (700-1000°С) на эффективность снижения оксида углерода в среднем на 74,45%.

3. Доказано, что температура сбросовых газов доменного производства (700-1000°С) не оказывает существенного влияния на эффективность процесса озонирования оксида углерода.

Достоверность результатов исследования:

Обусловлена комплексным анализом информационных данных, проведение лабораторных и полевых экспериментов с использованием апробированных методик и оценкой надежности результатов экспериментов по статистическим критериям с использованием математических методов планирования экспериментов. Научная ценность:

-разработано регрессионное уравнение, адекватно описывающее процесс окисления оксида углерода;

-установлены периоды инерционности окисления оксида углерода озоном в зависимости от его содержания (Т=6,48 с при 03=1,Змг/л; Т=5,44 с при Оз=2,5 мг/л);

-получено уравнение описывающее процесс окисления оксида углерода озоном в зависимости от влажности среды, при этом установлено, что наибольший эффект достигается при влажности 50-70%;

-озонирование сбросовых газов металлургического производства проявляется не только по отношению к оксиду углерода, но и по отношению к оксиду азота и сернистому ангидриду с эффективностью 70,3; 55,5 и 71,4% соответственно. Практическое значение работы заключается :

-в разработке предложений по озонированию сбросовых газов доменного производства по двум технологическим схемам: использование плоских озонаторов тлеющего разряда или ультрафиолетовых кварцевых ламп; -рекомендован расход озона для окисления оксидных веществ в сбросовых газах черной металлургии. Результаты внедрения:

Рекомендуемые технологические предложения по озонированию сбросовых газов прошли успешную экспериментальную проверку на Мариупольском металлургическом комбинате им. Ильича. Апробация работы:

Основные положения диссертации доложены на XXXIV научной конференции РУДН в 1998г. и научно-методических семинарах кафедры.

Заключение Диссертация по теме "Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов", Проводникова, Светлана Олеговна

ВЫВОДЫ по главе 4

Анализ результатов проведенных экспериментов показал, что при реализации предлагаемых способов озонирования отходящих газов достигается эффективность снижения концентрации оксида углерода: -при применении озонатора тлеющего разряда-70,3%; -при применении кварцевых ламп-64,4%.

В то же время наблюдается снижение концентрации оксида азота и сернистого ангидрида на 55,5% и 71,4% соответственно.

Количество окисляемых веществ при этом на 1000 т выбрасываемых веществ достигает:

-по оксиду углерода - 297 т/год;

-по оксиду азота - 445т/год;

-по сернистому ангидриду-286т/год.

По показателю эколого-экономической эффективности способ озонирования газо-воздушной смеси сбросовых газов черной металлургии может составлять 64,3%, что в натуральных показателях финансовой стоимости в пользу предприятия может достигать 82990 руб./т. на 1000 т. выбрасываемых вредных веществ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе решена актуальная научная задача, посвященная разработке способа озонирования сбросовых газов Черной металлургии для снижения выбросов оксида углерода в атмосферу и получены следующие выводы:

1. Черная металлургия оказывает значительное влияние на окружающую природную среду по показателям выброса оксида углерода (68,1%), сернистого ангидрида (10,22%) и оксида азота (5,85%).

2. Снижение оксидных компонентов достигается в основном путем применения адсорбционных и абсорбционных методов и катализа, но при этом требуются значительные экономические затраты.

3. Озонирование газо-воздушных смесей технологически реализуемо и достигается за счет трех форм окисляющего действия озона: окисление неорганических веществ с участием одного атома кислорода из молекулы озона; участием целой молекулы озона и каталитическим действием кислорода, присутствующего в озонированном воздухе.

4. Получено регрессионное уравнение адекватно описывающее процесс окисления оксида углерода озоном от совокупного влияния исходной концентрации СО (12-22%), времени воздействия (1,5-5,5 мин), производительности озона (30-60 г/час) и температуры газо-воздушного потока (700-1000 С).

5. Установлены периоды запаздывания окисления оксида углерода озоном в зависимости от его содержания.

6. При озонировании сбросовых газов наблюдается снижение оксида углерода на 70,3 %, оксида азота на 55,5% и сернистого ангидрида-71,4%.

7. Установлен расход озона для окисления оксидных веществ в сбросовых газах черной металлургии.

8. Эколого-экономическая оценка способа озонирования газо-воздушной смеси сбросовых газов на 1000 т выбрасываемых веществ может достигать 82 990 руб. по показателю предотвращенного ущерба.

Библиография Диссертация по географии, кандидата технических наук, Проводникова, Светлана Олеговна, Москва

1. Горная энциклопедия./ т.1-5.- М.: Советская энциклопедия, 1989,-266 с.

2. Государственный доклад «О состоянии окружающей природной среды Российской Федерации». Госкомитет РФ по ООС., 1993-1999.

3. Экология на промышленном предприятии. Реферативный обзор.: Днепропетровск. УНИИЭИМеталлургии., 1998.

4. Юзов О.В. Развитие черной металлургии и охрана окружающей среды.// Известия вузов. Черная металлургия.-1991.

5. Денисенко Г.Ф., Губонина З.И. Охрана окружающей среды в черной металлургии.-М.: Металлургия.1988-120с.

6. Рамм А.Н. Современный доменный процесс.-М:Металлургия,1980-304с.

7. Андоньев С.М., Филипьев О.В. Пылегазовые выбросы предприятий черной металлургии.-М. :Металлургия, 1979.-192с.

8. Васильев Г.А., Вилисов Г.В. Безопасность труда в доменном производстве.-М.:Металлургия, 1988.-191с.

9. Кузнецов И.Е., Троицкая Т.М. Защита воздушного бассейна от загрязнения вредными веществами химических предприятий.- М.: Химия,1979-344с.

10. Хорват Л. Кислотный дождь.-М.: Стройиздат.1990-80с.

11. Химия окружающей среды./ под ред.Дж.Бокриса М.:Химия 1982-672с.

12. Алексеев В.А., Рак Л.Д. Признаки ослабления деревьев ели под влиянием атмосферного загрязнения.//Лесоведение, 1985. NI. С.37-43

13. Антипов В.Г. Влияние дыма и газа, выбрасываемых промышленными предприятиями на сезонное развитие деревьев и кустарников.// Ботанич.журнал.1957 т.42, №1 с.92-95

14. Правила безопасности в промышленности. М.: Недра. 1986

15. Предельно допустимые концентрации атмосферных загрязнений./ Под ред. Рязанова В.А.-М.:Медгиз, 1961,304 с.

16. Производственная санитария. Справочное пособие/ Под ред. Злобинского Б.М.- : Металлургия, 1969, 688с.

17. Берлянд М.Е. Современные проблемы атмосферного диффузии и загрязнения атмосферы.- Л.: Гидрометеоиздат. 1978, 448с.

18. Шаприцкий В.Н. Защита атмосферы в металлургии. М.: Металлургия, 1984, 216 с.

19. Толочко А.И., Филиппов В.И., Филипьев О.В. Очистка технологических газов в черной металлургии. М.: Металлургия, 1982.- 277с.

20. Старк С.Б. Пылеулавливание и очистка газов. М.: Металлургия. 1977,328с.

21. Нестеров А.И. Биотехнология -М.: Знание, 1996,108с.

22. Утилизация вторичных материальных ресурсов в металлургии. Уч. пособие /Черепанов К.А., Черныш Г.И., Дикельт В.М., Сухарев Ю.И. М.: Металлургия, 1994, 224с.

23. Зыков В.Н. К вопросу использования фильтров из пеноячеистых металлов для защиты промышленности от пыли./ Вестник РУДН. М.: РУДН, 1996, -119с.

24. Кожинов В.Ф., Кожинов И.В. Озонирование воды. -М.:Стройиздат. 1973,160с.

25. Физические величины: Справочник . / Под ред. Григорьева И.С., Метлихова Е.З.-М.: Энергоиздат. 1991-1232с.

26. Семенов H.H. О некоторых проблемах химической кинетики и реакционной способности -М.: Изд.АНССР, 1955-108с.

27. L'ozonation des eaux de consommation "Tzailigaz". Paris, 1966

28. Уэбб Ф. Биохимическая технология и микробиологический синтез. -М.: Медицина, 1969-369с.

29. Озон, контроль озона, озонаторы, применение озона. Библиографический указатель по отечественной и зарубежной литературе и патентным материалам за 1967-1971 гг.ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ.-М.:1972-64с.

30. Cook, Spadienger, Kiffer, Klumpp. "Industrial. Engineering chemistry.", 48,1956.

31. Единые правила безопасности при взрывных работах.-М.: Недра. 1976, 405с.

32. Кожинов В.Ф. Установка для озонирования воды.-М.: Стройиздат, 1968, -118с.

33. Comebla С. Le traitement des eaux par lozone.-"Extract du mensuel du centre Belge d'etude et de documentation les eaux", 287, Oct, 1967.

34. Орир Дж. Физика: Пер.с англ.-М.: Мир, 1981-ЗЗбс.

35. Яворский Б.М., Детлаф A.A. Справочник по физике.-М.:Наука, 1965,-848с.

36. Нелинейная корреляция и регрессия (Методика и применение для решение производственных задач) Воловельская С.Н., Жилин А.И., Кулиш С.А., Сивый В.Б., «Техшка», 1971, стр.216

37. Pindtorf, Schmidt, 17.08.53 Патент 88901 ФРГ.

38. Зимин Н.П. Озонирование воды как средство для устранения недостатков ее фильтрования при городских водопроводах.-М.:,1902

39. Кульский Л.А., Шевченко М.А. Озонирование возы для хозяйственно-питьевых целей./ Водоснабжение и санитарная техника, №3, 1960,-с.4-16.

40. Rawson А.Е. "Water and Water Engineering", Jan., 1954, p. 9-19.

41. Рожнятковский И.О. Озонирование сточных вод коксохимических заводов-эффективный метод обеззараживания./ Докл. На 1 Всесоюзн. Межвуз. конф. по озону.-М.: Изд.МГУ, 1960, -16с.

42. Геохимия природных и технологических ландшафтов. М.: Высшая школа, 1988-340с.

43. Берлянд М.Е. Современные проблемы атмосферной диффузии и загрязнения атмосферы. Л.:Гидрометеоиздат, 1975-488с.

44. Руководство к практическим занятиям по методам санитарно-гигиенических исследований/Под.ред. Подуловой Л.Г. -М.:Медицина, 1990,-304с.

45. Руководство по контролю загрязнения атмосферы. -Л.: Гидрометеоиздат, 1979,-497с.

46. Физико-химические методы исследований.-М.: Химия, 1986,-180с.

47. К.Хартман и др. Планирование эксперимента в исследовании технологических процессов -М.: Мир, 1977-552с.

48. Налимов В.В., Чернова H.A. Статистические методы планирования экстремальных экспериментов. -М.: Наука, 1966,-340с.

49. Горский В.Г. и др. Планирование промышленных экспериментов.-М.:Металлургия, 1978-lllc.

50. Касандрова О.Н., Лебедев В.В. Обработка результатов наблюдений.-М.: Наука, 1979-108C.

51. Налимов В.В.Теория эксперимента,- М.:Наука, 1971,-108с.

52. Методические рекомендации по заполнению и ведению экологического паспорта/ ГОСТ 17.00.04-90.М.: Стандарт, 1990

53. О неотложных мерах экологического оздоровления страны./ СМ от 14.02.90г. № 189

54. Баркер К. и др. /Воз.-Женева.: Дворец наций, 1962,-468с.

55. Шатоха В.И. Охрана окружающей среды в доменном производстве: Конспект лекций.-Днепропетровск: Пороги, 1996.-86с.

56. Рязанов В.А. Предельно допустимые концентрации атмосферных загрязнений.-М.:Медгиз, 1952, с.9-25.

57. Указания по расчету рассеивания в атмосфере вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий СН 369-74-М.: Стройиздат, 1975, 41 с.

58. Буштуева К.А. Предельно допустимые концентрации атмосферных загрязнений,-М.:Медгиз, 1961, вып.5, с.118-125.

59. Сигал И.Я. Защита воздушного бассейна при сжигании топлива.-Л.:Недра, 1977,-294с.

60. Руководящие указания по расчету выбросов твердых частиц и оксидов серы, углерода, азота с дымовыми газами котлоагрегатов.-М.: Союзтехэнерго, 1979,-108с.

61. Панкратов В.Ф. и др. Сборник научных трудов ВНИПИчерметэнергоочистки,-М.: Металлургия, 1972, вып. 15,с.51-56,

62. Калюжный Д.Н. и др. Санитарная охрана воздуха и водоемов от выбросов и отходов промышленных предприятий черной металлургии.-М.:Медицина, 1968,-239с.

63. Киреева И.С., Степаненко A.A., Бродин В.И. и др. Защита окружающей среды от выбросов предприятий черной металлургии.-М.:Металлургия, 1981,-108с.

64. Старк С.Б. Пылеулавливание и очистка газов в металлургии.-М.:Металлургия, 1982,-278с.

65. Абдрашитова С.А. и др. Прикладная биохимия и микробиология./1982, 18, N1,-248с.

66. Биотехнология металлов / ЮНЕП.-М.: Международный проект ГК HT, 1989,-374с.

67. Шалашова Е.С. Применение озона для очистки воды./ Жилищно-коммунальное хозяйство. 1960, №6.

68. Ariette Vasssy. Atmosphere ozone. New -York, 1965.

69. Berder K. Vom Vasser. XXVB, 1958.

70. Поздняков З.Г., Росси Б.Д. Справочник по промышленным взрывчатым веществам и средствам взрывания.-М.:Недра, 1974,-108с.

71. Гершгорт JI.C. Математическое программирование и его применение в экономических расчетах.-М.: Экономика, 1968.-200с.

72. Шаприцкий В.Н. Методы планирования и управления природными ресурсами. /Тезисы докл. -Махачкала.: АН СССР, 1982, т.1, с.129-132.

73. Богданова Т.П., Губарь М.А. Озон как средство обеззараживания воды от бактериальных спор./сб.докл. на 1 Всесоюзной конференции по озону.-М.: Изд.МГУ, 1960,-108с.

74. Дубровская Д.П., Меламед Ф.А. О возможности использования озона для очистки сточных вод коксохимических заводов./ Доклад на 1 Всесоюзной межвузовской конференции по озону. -М.: Изд.МГУ, 1960,-108с.

75. Бродский В.З. Введение в факторное планирование экспериментов.-М.:Наука, 1976, -224с.

76. Окислы азота в продуктах сгорания топлива: сб.научн.тр.-Киев: Наукдумка.1981-204с.

77. Метрологическое обеспечение технологических процессов черной металлургии (метрология и информатика). Серов Ю.В.: Справочное изд. в 2-х книгах Кн.1-М.: Металлургия, 1993-272 с.

78. Метрологическое обеспечение технологических процессов черной металлургии (метрология и информатика). Серов Ю.В.: Справочник в 2-х книгах Кн.1-М.: Металлургия, 1993-352 с.

79. Лисин B.C., Юсфин Ю.С. Ресурсо-экологические проблемы XXI века и металлургия.-М.: Высш.шк. ,1998-447с.