МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНА ГІРНИЧА АКАДЕМІЯ УКРАЇНИ

ШВАРЦМАН Віктор Михайлович

УДК 504.3:628.512 |

РОЗРОБКА МЕТОДІВ Зменшення кислотоутворення

В атмосфері при експлуатації градирень на

техногенно навантажених територіях

Спеціальність 21.06.01 "Техногенна безпека держави"

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Дніпропетровськ - 2002

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у відділі екологічних основ технологій природо- користування Інституту проблем природокористу-вання та екології НАН України (м. Дніпропетровськ).

Науковий керівник – доктор технічних наук, професор Шапар Аркадій Григорович, директор Інституту проблем природокористування та екології НАН України (м. Дніпропетровськ).

Офіційні опоненти:–

доктор технічних наук, старший науковий співробітник Зберовський Олександр Владиславович, головний науковий співробітник Центру гірничих інформаційних технологій Національної гірничої академії України (м. Дніпропетровськ), Міністерство освіти і науки України;

– доктор технічних наук, професор Біляєв Микола Миколайович, завідувач кафедри гідравліки та водопостачання Дніпропетровського державного технічного університету залізничного транспорту, Міністерство транспорту України.

Провідна установа – Дніпропетровський національний університет, кафедра геоекології та раціонального природокористування, Міністерство освіти і науки України.

Захист дисертації відбудеться 25 квітня 2002 р. о 1400 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.080.02 по захисту дисертацій при Національній гірничій академії України Міністерства освіти і науки України

за адресою: 49027, м. Дніпропетровськ-27, просп. К. Маркса, 19.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Національної гірничої академії України Міністерства освіти і науки України за адресою: 49027, м. Дніпропетровськ-27, просп. К. Маркса, 19.

Автореферат розісланий 23 березня 2002 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

Д 08.080.02, канд.техн.наук, доцент В.В. Панченко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Україна разом з 179 державами світу взяла на себе зобов'язання щодо переходу на стратегію сталого розвитку, яка повинна забезпечити збалансоване з можливостями навколишнього середовища здійснення господарської діяльності. Серед першочергових завдань переходу на стратегію сталого розвитку, які включають боротьбу з парниковим ефектом, зпустелюванням, зменшенням лісів та ін., виділена проблема "кислотних" дощів, як одна із найбільш серйозних екологічних проблем сучасності. При вивченні цієї проблеми насамперед необхідно встановити, що спричиняє виникнення кислотних дощів, яким чином можна запобігти кислотоутворенню і тим самим підвищити безпеку життєдіяльності на техногенно навантажених територіях.

У зв'язку з цим в дисертаційній роботі вирішувалась актуальна науково-практична задача встановлення закономірностей утворення, динаміки надходження, поширення та взаємодії в атмосфері крупної промислової агломерації Південної групи підприємств Кривбасу (ПГПК) промислових викидів кислотоутворюючих речовин з урахуванням чинних на цій території технологічних процесів, технологій і виробництв, та розробки на їх основі методів підвищення техногенної безпеки цієї території.

Дисертаційне дослідження є складовою частиною науково-дослідних робіт, які виконуються в Інституті проблем природокористування та екології НАН України у відповідності до держбюджетної теми "Наукове обгрунтування пріоритетних напрямків досягнення сталого розвитку техногенно навантажених регіонів з урахуванням його нормативних показників" (постанова Бюро відділення наук про Землю Національної академії наук України від 19.10.1999 р., номер держреєстрації: 0199U004402).

Мета роботи - розробка методів зменшення кислотоутворення шляхом встановлення закономірностей формування газових та пароводяних викидів, їх трансформації і розповсюдження на земну поверхню у вигляді кислотних опадів.

Для досягнення поставленої мети були поставлені і вирішені наступні задачі:

1) дослідити динаміку надходження до атмосфери та склад викидів забруднюючих речовин;

2) дослідити процес пароутворення при роботі водоохолоджуючих пристроїв;

3) дослідити процеси взаємодії пароводяного шлейфу градирні з кислотоутворюючими атмосферними забруднювачами;

4) розробити фізико-математичну модель процесів утворення та розповсюдження кислотних опадів;

5) розробити показник оцінки екологічної небезпеки життєдіяльності на сусідніх з зоною промислової агломерації територіях;

6) розробити методи зменьшення кислотоутворення за рахунок мінімізації парових викидів та реалізувати на практиці конструктивні елементи охолоджуючих пристроїв у системі зворотного водопостачання, які дозволять забезпечити це зменьшення.

Обєкт дослідження – взаємодія технологічних та атмосферних процесів при функціонуванні природно-техногенних систем гірничо-металургійного комплексу.

Предмет дослідження – закономірності кислотоутворення при експлуатації градирень на техногенно-навантажених територіях.

Ідея роботи полягає в цілеспрямованому використанні ефектів зміни характеру кислотоутворення під впливом компоновочних, технологічних, конструктивних рішень на обєктах кислотоутворюючих викидів.

Методи дослідження. Методичну основу досліджень складає системний підхід до вирішення екологічних проблем територій великих промислових агломерацій. Відповідно до специфіки досліджень, спрямованих на розробку методів зменшення кислотоутворення, у роботі використовуються такі методи: математичної статистики – для перевірки теоретичних гіпотез на адекватність; планування експериментів, натурних спостережень, технічної кінозйомки – для досліджень процесів пароутворення при роботі водоохолоджуючих пристроїв; метеорології, аеро- та термодинаміки, фізико-математичного моделювання - для опису та розрахунку параметрів розповсюдження кислотних опадів; аналізу та узагальнення науково-технічної інформації – для обгрунтування параметрів процесів хімічної трансформації кислотоутворюючих сполук.

Достовірність наукових положень, висновків та рекомендацій, які сформульовані в дисертації, обгрунтована системним підходом до вирішення екологічних науково-практичних задач, адекватністю отриманих результатів, перевіркою обсягу експериментальних даних на їх показність, непротиріччям отриманих результатів теоретичним передумовам, їх достатньою узгодженістю з даними експериментів та виробничої практики (відхилення не перевищували 15-20 %), позитивними результатами перевірки технічних рішень і рекомендацій у промислових умовах.

На основі виконаних досліджень сформульовані наступні наукові положення:

1. Екологічно чисті пароводяні викиди при їх попаданні в екологічно дестабілізоване довкілля стають домінуючим фактором кислотоутворення, на порядок збільшують об`єм киcлотних новоутворень в атмосфері. Значення функції інтенсивності кислотних опадів у залежності від відстані до зони промислової агломерації збільшується від фонового значення до максимуму, після чого експоненційно знижується до мінімуму. Зменшення кількості пароводяних викидів віддаляє, а їх збільшення наближує ділянку максимального кислотоутворення. Для умов території ПГПК при сухому повітрі (вологість 30-35 %) ця ділянка віддалена на 700 і більше кілометрів; при вологому повітрі (вологість 80-85 %) – на 230-250 км, при накладанні газових та пароводяних шлейфів – на віддалі 60-70 км від промислової агломерації.

2. При переобладнанні градирень на бризкальний режим роботи з використанням двосоплових відцентрових форсунок глибина охолодження зворотної технічної води зворотно-пропорційно залежить від розміру крапель і при їх зменшенні з 3,0 мм до 1,0-1,2 мм у діаметрі збільшується на 70-80 %; при цьому викиди пари за межі баштових градирень знижуються на 1,9-5,0 %, а вентиляторних градирень – на 60-70 %; енерговитрати на охолодження води знижуються в 1,5-2,0 рази.

Наукова новизна одержаних результатів:

- вперше встановлені залежності обємів викидів забруднюючих речовин в атмосферу при зниженні обсягів виробництва, що дало можливість прогнозування параметрів техногенного впливу на атмосферу;

- вперше вирішена задача зменшення кислотоутворення при наявності на невеликій віддалі один від одного джерел газових та пароводяних викидів за рахунок компоновочних, технологічних та конструктивних рішень;

- вперше встановлені залежності краплеутворення для двосоплової відцентрової форсунки, які дозволяють розрахувати її конструктивні параметри, виходячи з необхідних за умовами технології параметрів теплообміну та паровиділення;

- поглиблені наукові засади оцінки екологічної небезпеки життєдіяльності на територіях, які підлягають дії кислотоутворюючих викидів, за рахунок додаткового врахування чисельності населення на цій території та тривалості впливу.

Практичне значення результатів роботи полягає в розробці практичних методик та конструктивних рішень удосконалення охолоджувальних пристроїв існуючих систем зворотного водопостачання; упровадженні результатів досліджень, що забезпечило зменшення у два рази капітальних витрат на реконструкцію градирень у порівнянні з типовим варіантом. При цьому окупність витрат тільки по фактору енергозбереження становить 1,5 роки (проти 6-8 років при типовому варіанті).

Реалізація результатів роботи. Матеріали дисертації були використані в робочій документації реконструкції градирень гірничо-збагачувальних, металургійних, машинобудівних, хімічних підприємств, теплових електростанцій та ін. Усього реконструйовано 10 об`єктів зворотного водопостачання промислових виробництв Росії та понад 50 об'єктів – на території України, серед яких на території ПГПК реконструйовано 5 секцій вентиляторних та 2 баштові градирні.

Особистий внесок здобувача. Автором особисто сформульована мета, ідея і задача досліджень, наукове і практичне значення роботи, наукові положення, висновки і рекомендації; обгрунтовані методи теоретичних та експериментальних досліджень, методика прогнозування викидів забруднюючих речовин при спаді обсягів виробництва, вдосконалена математична модель хімічної трансформації, розповсюдження кислотоутворюючих забруднювачів та випадання кислотних опадів на земну поверхню; розроблені та захищені патентами конструкції двосоплових відцентрових форсунок, запропонований показник небезпеки життєдіяльності.

Апробація роботи. Основні результати досліджень доповідались на науково-технічних нарадах ВАТ "Нижньодніпровський трубопрокатний завод" (м. Дніпропетровськ), ВАТ Дніпродзержинський КХЗ (м. Дніпродзержинськ, Дніпропетровська обл.), Державне підприємство "Кремнійполімер" (м. Запоріжжя), ВАТ СП АК "Тулачормет" (м. Тула, Росія), засіданнях технічної ради Українського державного інституту проектування металургійних заводів (м. Дніпропетровськ), засіданнях вченої ради Інституту проблем природокористування та екології НАН України (м. Дніпропетровськ), міжнародному симпозіумі “Неделя горняка-2000” (Московський державний гірничий університет, Росія, 2000 р.), міжнародній науково-практичній конференції "Проблеми природокористування, сталого розвитку та техногенної безпеки" (м. Дніпропетровськ, 2001 р.).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 10 наукових праць, у тому числі 4 статті у наукових фахових виданнях, 2 – матеріали конференцій. За результатами роботи отримані 3 патенти і 1 свідоцтво на корисну модель.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, 5 розділів, висновку, списку використаних джерел з 195 найменувань на 16 сторінках, містить 149 сторінок машинописного тексту, 66 рисунків на 33 сторінках, 17 таблиць на 5 сторінках, 4 додатка на 29 сторінках, загальний обсяг роботи - 232 сторінки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтована актуальність теми дисертаційної роботи. Сформульована мета, ідея та задачі досліджень, наукова новизна і практичне значення отриманих результатів. Наводяться основні наукові положення, які виносяться на захист, дані про публікації, апробацію і впровадження розробок і результатів досліджень, наукове та практичне значення роботи.

У першому розділі, "Сучасний стан проблеми, мета, завдання та методи досліджень", виконане обгрунтування об'єкту і предмету досліджень, розглянутий сучасний стан проблеми виникнення та запобігання утворенню кислотних опадів, проаналізований стан досліджень викидів забруднюючих хімічних речовин та пару на ділянках промислових підприємств, стан прогнозування хімічного перетворення викидів в атмосфері та їх розповсюдження в просторі.

В процесі розвитку промислового виробництва на території України сформувалась значна кількість великих промислових агломерацій, які включають різноманітні за формою та масштабами впливу на довкілля підприємства. В рамках цих агломерацій врахування впливу на природне середовище виконується окремо для кожного підприємства, тоді як дослідження сумарного впливу, як правило, не проводиться. В кращому випадку, викиди суміжних виробництв ураховуються через фонові показники екологічного стану території. В наш час виникла необхідність комплексної оцінки будь-яких видів техногенного впливу на довкілля, навіть тих, які, на перший погляд, здаються зовсім нешкідливими, наприклад, викиди води та пари. Тому в роботі досліджуються процеси кислотоутворення в приземному шарі атмосфери, склад якого формується за участю групи компактно розміщених виробництв гірничо-металургійного комплексу південної частини Кривбасу. В зоні південної групи підприємств Кривбасу (ПГПК) на площі у 130 км2 розташовані два потужних гірничо-збагачувальних комплекси, потужний металургійний комбінат, коксохімічний, суриковий та цементний заводи, підприємства будівельної індустрії, транспорту, енерговиробництва, ремонтно-механічні підприємства та інші. Технології, що функціонують на території ПГВК, вимагають значної кількості технічної води, яка використовується, в основному, у зворотних системах водопостачання. Тому, окрім викидів пилу, оксидів вуглецю, сірки, азоту, вуглеводів, важких металів та інших хімічних елементів, у межах зони ПГВК в атмосферу надходить значна кількість пари та дрібнодисперсної краплинної вологи. Внаслідок підвищення вологості атмосфери та накладання газових і пароводяних факелів виникають умови для хімічного перетворення викидів - їх взаємодії з пароводяною фракцією, взаємодії один з одним та утворення нових видів забруднювачів, нерідко більш небезпечних, ніж ті інгредієнти, що їх утворили. Така екологічна ситуація є типовою для крупних промислових агломерацій.

Вивчення хімічних та фотохімічних перетворень атмосферних викидів розпочалося після катастрофічних смогів, які виникли в 50-х роках в США, Англії, Японії. На даний момент встановлені чисельні параметри закономірностей перетворень деяких атмосферних забруднювачів, але ця робота ще далека від завершення. В 60-ті роки важливою екологічною проблемою стало підвищення кислотності атмосферних опадів. Над вирішенням цієї проблеми працювали Ю.А. Ізраель, І.Н. Назаров, Г.Б. Заіков, А.Я. Прессіон, Л. Хорван, Н.Б. Берлянд, В.Б. Кісільов та ін. Теоретичні дослідження розповсюдження викидів з вмістом домішок в атмосфері проводили А. Робертс, О. Сіммон, М.Е. Берлянд, Д.Л. Лайхтман, Н.Л. Бизова, Х.Е. Крамер, П.И. Андреєв, Е.Н. Теверовський, А.Е. Хайкіна та ін. В розвиток теорії і практики охолоджуючих систем зробили внесок А.Т. Аверклєв, А.Ф. Володін, В.А. Гладков, Б.С. Фарфоровський, В.С. Пономаренко, Ю.П. Ареф'єв, В.В. Гончаров та ін. Зменьшенню рівня забруднення атмосфери гірнічовидобувних районів присвячені роботи І.В. Бересневича, О.В. Зберовського, Е.І. Єфремова, В.К. Хруща, М.М. Біляєва.

Аналіз стану розробок та досліджень з питань реєстрації атмосферних викидів, їх хімічної трансформації при розповсюдженні дозволили виявити наступні недоробки: більшість наукових робіт носять галузевий характер і відносяться до різних наукових знань (хімії, метеорології, аерогазодинаміки, технології і т.п.), відсутні постановка і вирішення задачі кислотоутворення для великих промислових агломерацій, відсутні критерії оцінки небезпеки життєдіяльності внаслідок викидів кислотних речовин.

Другий розділ, "Встановлення параметрів впливу промислових об'єктів ПГПК на атмосферу", характеризує кількісні та якісні параметри техногенного впливу великої промислової агломерації на природне середовище. Докладно розглянута структура промислової агломерації ПГПК, систематизовані всі види промислової діяльності, при чому встановлені кількісні параметри атмосферних викидів і їх просторове розташування (рис.1). З урахуванням пріоритетних джерел забруднення, які здійснюють найбільш значний вплив на кислотоутворення, виділені наступні види виробництва. Постачальники хімічних сполук - агломераційне (45,5 %), енерго- і теплопостачальне (12,7 %) сталеливарне (11,4 %), коксохімічне (10,1 %), прокатне (8,7 %), будівельних матеріалів (6,2 %), доменне (2,5 %), допоміжне (1,3 %), гірничо-збагачувальне (1,1 %) виробництва. Постачальники вологи - водоохолоджувальні споруди (97%). Постачальники речовин-нейтралізаторів – коксохімічне (92 %), аграрне виробництво (4 %). Обсяг кислотоутворюючих викидів в значній мірі залежить від можливості регулювання технологічних процесів, підвищення ефективності очистки викидів в спеціальних пристроях, заміни сировини та технологій, регулювання продуктивності виробництва, але ці можливості, як показує аналіз, досить обмежені.

В роботі встановлено емпіричні залежності між продуктивністю гірничо-металургійного виробництва та об`ємами викидів від нього. Для прокатного, сталеливарного, агломераційного виробництв, транспортних, буро-вибухових та екскаваційних робіт ці залежності наближаються до прямо пропорційних. Для доменного виробництва, відвалоутворення та експлуатації шламосховищ вони прямолінійні з вільним членом, для коксохімічного виробництва – степеневі. Відмінності у характері залежностей обумовлені особливостями технологічних процесів та наявністю в деяких процесах ефекту забруднення атмосфери навіть при припиненні виробничої діяльності (шламосховища, коксові та породні відвали). Ці залежності використані при обгрунтуванні розрахункових параметрів газових кислотних викидів підприємств зони ПГПК.

На об'єм викидів вологи в атмосферу при здійсненні водоохолоджувальних технологічних процесів найбільший вплив виявляє тип градирень. В зоні ПГПК функціонує 49 секцій вентиляторних градирень, 35 баштових градирень та 3 бризкальні басейни, сумарна потужність яких складає 1900 тис. м3 охолодженої води за годину. Встановлено, що в сучасних умовах, коли існує надлишок виробничих потужностей, при ремонті та реконструкції градирень їх доцільно переобладнати з плівкових в крапельні за умов кардинального удосконалення пристроїв для подрібнення потоку води, яку необхідно охолодити.

Третій розділ, "Дослідження процесів утворення пароводяних викидів градирень і розробка конструкції водорозбризкуючих пристроїв", присвячений вивченню процесів, які проходять в градирні і обумовлюють кількісні параметри виділення пари; дослідженню гідродинаміки водорозбризкуючих форсунок; фізико-математичному моделюванню та натурному дослідженню роботи форсунок; обгрунтуванню конструктивних параметрів форсунок.

Виконані аналітичні та експериментальні дослідження показали, що оптимальний рівень охолодження циркуляційної води обумовлюється параметрами крапельного потоку. Умови оптимізації крапельного потоку такі: верхня межа крупності крапель становить 1-2 мм в діаметрі; нижня межа (за умовою виносу з градирні) - не менше 0,5 мм в діаметрі. До цього часу таке співвідношення вдавалося здійснити при малих діаметрах сопел форсунок, високому тиску води та малих її витратах. Але при застосуванні таких форсунок на градирнях різко збільшуються капітальні та експлуатаційні витрати на водорозподільну систему градирень. У зв'язку з цим виникла потреба в високопродуктивній форсунці, яка була б спроможна утворювати оптимальний крапельний потік при незначних матеріальних та енергетичних затратах.

Автором розроблені і захищені патентами п`ять конструкцій форсунок для розбризкування води в різних технологічних ситуаціях. Головними особливостями розроблених форсунок є наявність циліндричної камери з тангенціальним вхідним каналом, який забезпечує відцентровий спосіб розбризкування двох співосних сопел, причому вісь обох сопел зміщена відносно геометричної осі циліндричної камери і співпадає з віссю утвореного крапельного факелу. Розроблені варіанти конструкції форсунки одна від одної відрізняються деякими конструктивними особливостями - наявністю сопел різних діаметрів, за рахунок чого можливо регулювати витрати води в зонах градирні; наявністю ексцентричних кілець, які забезпечують утворення рівномірно видозміненого за напрямком та за формою факелу та ін.

Для забезпечення функціонування форсунок в оптимальному режимі виконано ряд теоретичних та експериментальних досліджень, під час яких були промодельовані процеси, що проходять у градирні і в камері форсунки та впливають на характер розбризкування рідини. В роботі встановлено, що розмір подрібнених крапель залежить від товщини плівки води на виході з форсунки, яка, в свою чергу, залежить від співвідношення геометричних параметрів форсунки (діаметра сопла та діаметра вхідного патрубка) і слабо залежить від витрат рідини та перепаду тиску (рис. 2). Експериментальні дослідження двофакельної відцентрової форсунки дозволили встановити такі параметри розбризкування рідини, як кут розкриття факелу форсунки, щільність зрошення, однорідність факелу, щільність розподілу крапель за діаметром та інше. Експерименти з форсунками різних типорозмірів підтвердили, що існує екстремум, який описує зону з раціональними розмірними та гідродинамічними параметрами, при яких забезпечується максимальна глибина охолодження (діаметр сопла 80-110 мм, розмір камери 180-230 мм, діаметр вхідного патрубка 20-28 мм, витрати води 7-9 м3/год при перепаді тиску 40 кПа + 20%) (рис. 3). Результати цих досліджень дозволили розробити технологічні схеми модернізації градирень, які забезпечують збільшення глибини охолодження на 70 %, зменшення експлуатаційних енергозатрат в 2 і більше рази, зниження паровиділення з баштової градирні на 1,9-5,0 %, вентиляторної – на 60-70 %.

Отримані результати досліджень дозволили зробити висновки, на основі яких сформульовано друге наукове положення.

В четвертому розділі, "Дослідження взаємодії пароводяних викидів градирень з компонентами атмосфери промислово навантажених територій", на базі грунтовного літературного аналізу розглянута фізична суть процесів за участю пароводяних викидів, які надходять в забруднене атмосферне повітря з моменту їх виходу в довкілля до моменту їх трансформації, розсіювання або випадання на підстилаючу поверхню з урахуванням різних метеорологічних умов.

Розрахунками встановлено, що величина параметрів пароутворення залежать від термічних та вологісних режимів атмосфери та термодинамічних режимів роботи градирні. Питома кількість випарованої з градирень води знаходиться в залежності від пори року і має нерівномірний характер з двома періодами максимальних значень , які приурочені до міжсезоння (квітень і вересень) і двома періодами мінімальних показників - в липні (обумовлена високою температурою атмосферного повітря) та в грудні (високою вологістю повітря) (рис. 4). Проаналізовані склад та стан викидів з моменту їх попадання в атмосферу до моменту їх розсіювання. Встановлено, що протікання реакцій між атмосферними домішками проходить в усьому об'ємі пароводяного шлейфа за рахунок надходження повітря з хімічними інгредієнтами через бокові його поверхні. Швидкість проходження реакцій залежить від температури, інтенсивності сонячної радіації, турбулентності атмосфери, але головними факторами є концентрація інгредієнтів та вологість повітряного середовища.

В пятому розділі, "Фізико-математичне моделювання процесів взаємодії пароводяних та газових викидів", наведена методологія, алгоритми та результати фізико-математичного моделювання процесів кислотоутворення, розповсюдження по території та випадання на поверхню сірчаної та азотної кислот. В контурах зони ПГПК знаходяться близько 2600 джерел викидів, тому для можливості здійснення моделювання на ПЕОМ виконане укрупнення джерел викидів за рахунок їх об`єднання з урахуванням типу виробництва (агломераційне, енегретичне, доменне, сталеплавильне, прокатне, коксохімічне, цементне, допоміжне), термодинамічних характеристик викидів (високотемпературні та низькотемпературні) та розташування викидів. В моделі газові та пароводяні викиди відображуються у наступному вигляді: джерела здійснюють викиди в вертикальній площині, перпендикулярно до напрямку поля стаціонарного вітру, викидають встановлену кількість пари та забруднюючих речовин, яким властива плавучість. Вільний струмінь викидів за рахунок атмосферної турбулентності буде мати вигляд криволінійного конусу. Показник розсіювання задається тангенсом кута між лінією паралельною осі конусу та його твірною, для якого в роботі отримана емпірична залежність від швидкості вітру U:

=5,5U-0,4.

При чому ця залежність є достовірною для швідкості вітру від 1,0 до 7,0 м/с.

Встановлено, що на процес кислотоутворення в межах зони локалізації промислового виробництва (рис. 1) суттєвий вплив має напрямок вітру, в залежності від якого можливе накладання газових та пароводяних шлейфів, при цьому інтенсивність кислотоутворення змінюється в два та більше разів. За межами зони локалізації промислового виробництва тривалість процесу кислотоутворення залежить від вологості повітря. Дальність розповсюдження обумовлена вологістю атмосферного повітря та швидкістю вітру і складає сотні та тисячі кілометрів (рис. 5).

Результати цього моделювання, а також результати аналізу хімічної взаємодії викидів в атмосфері дозволили сформулювати перше наукове положення.

Враховуючи, що формування техногенного та соціального середовища суміжної з зоною ПГПК території здійснювалося в 50-60 роки без урахування екологічних чинників, сучасний її стан є далеким від нормативно допустимого. Особливо це стосується житлових масивів ПівГЗКу, Соцміста, Довгінцевського та інших об'єктів.

Показник екологічної небезпеки життєдіяльності Ан визначається добутком трьох відношень: концентрації забруднювача Сі (мг/м3) до його середньодобового гранично допустимого значення ГДКсді (мг/м3); кількості випадків контакту із забруднюючими речовинами N (чол./км2) до одиничного випадку n (1 чол./км2); тривалості впливу несприятливих факторів Тк (дні) до максимально можливої тривалості впливу Тр (кількість днів в році). Показник екологічної небезпеки життєдіяльності Ан розраховується за формулою:

.

Для умов Кривбасу показник екологічної небезпеки життєдіяльності змінюється від 40 (для незаселених сільськогосподарських територій) до 3500 (для густонаселеного міського району ПівГЗК) та 4810 (для Соцміста). З використанням цього показника виконане районування суміжних з промисловою зоною територій (рис. 6).

В цьому випадку показник екологічної небезпеки життєдіяльності може виконувати функцію критерію оцінки ефективності природоохоронних заходів та реабілітації території:

,

де - відповідно показник екологічної небезпеки життєдіяльності j-ої ділянки території та її площа;

k – кількість районованих ділянок території.

ВИСНОВКИ

В дисертації, що є завершеною науково-дослідною роботою, поставлена і розвязана актуальна науково-практична задача, яка полягає в установленні закономірностей утворення, динаміки надходження, поширення та взаємодії в атмосфері крупної промислової агломерації Південної групи підприємств Кривбасу промислових викидів кислотоутворюючих речовин з урахуванням чинних на цій території технологічних процесів, технологій і виробництв, та розробки на їх основі нових конструктивних рішень, котрі дозволяють зменшити кислотоутворення, що має важливе екологічне та соціальне значення, сприяє підвищенню техногенної безпеки держави.

Найбільш важливі наукові і практичні результати полягають у наступному:

1. Україна взяла на себе міждержавне зобов`язання щодо здійснення збалансованої з можливостями довкілля господарської діяльності. При цьому серед найбільш серйозних екологічних проблем сучасності виділена проблема "кислотних" дощів, яку спричинило масштабне забруднення атмосферного повітря. Сумарні викиди Південної групи підприємств Кривбасу складають більше 8 % загальних викидів від стаціонарних джерел забруднення по Україні. Щільність викидів складає 742 т на 1 км2, що в 108 разів більш, ніж у середньому по Україні.

2. Залежності зміни викидів забруднюючих речовин в атмосферу при зниженні обсягів виробництва для різних технологічних процесів різна. Для

прокатного, сталеплавильного, агломераційного виробництва, буро-вибухових, транспортних і екскаваційних робіт ці залежності наближаються до прямо-пропорційних; для доменного виробництва, відвалоутворення, експлуатації шламосховищ вони подані у вигляді прямолінійної залежності з вільним членом; для коксохімічного виробництва – у вигляді степеневої залежності. Відмінність в характері залежностей обумовлена особливостями технологічних процесів та наявністю ефекту післядії при зниженні або припинені виробничої діяльності.

3. Головними кислотоутворюючими сполуками в викидах забруднюючих речовин технологіями ПГПК є діоксид сірки та оксиди азоту, кількість яких складає 11 % від сумарного об`єму газових викидів. Головною нейтралізуючою сполукою є викиди аміаку коксохімічного виробництва. В результаті порівняльного аналізу виробництв відносно їх впливу на кислотоутворення отриманий наступний ранжирувальний ряд виробництв: агломерація – 45,5 % від сумарного об`єму кислотоутворюючих викидів, теплоенергетика – 12,7 %, сталеплавильне виробництво – 11,4 %, коксохімічне – 10,1 %, прокатне – 8,7 %, цементне – 4,0 %, доменне – 2,5 %, виробництво будматеріалів – 2,2 %, допоміжне – 1,3 %, гірничо-збагачувальне – 1,1 %. Переважаючий об`єм викидів вологи в атмосферу відповідає водоохолоджувальним процесам в градирнях.

4. Експериментальними дослідженнями та математичним моделюванням процесу формування крапельного потоку встановлено, що товщина плівки води на виході з форсунки, від якої залежить розмір крапель, визначається, перш за все, співвідношенням геометричних параметрів форсунки і слабо залежить від витрат рідини.

5. Порівняння результатів моделювання гідродинаміки двосоплової і традиційної односоплової форсунок показало перевагу двосоплової конструкції:

- товщина плівки за умови однієї і тієї ж витрати води зменшується більш ніж у два рази;

- зменшення швидкості води на виході, а також менша сумарна поверхня стінок зменшує гідродинамічний опір форсунки;

- збільшення робочого краю сопла в два рази з одночасним зменшенням швидкості води на виході із сопла призводить до меншого абразивного його зношування і збільшення строку служби двосоплової форсунки;

- профілі швидкості у вихідному перерізі двосоплової форсунки більш постійні, що призводить до рівномірного розпилу води і сприяє зменшенню частки крапель розмірами до 40 мкм.

6. Зниження кислотоутворення на території промислової агломерації досягається за рахунок:

- цілеспрямованого вибору місця розташування промислових обєктів з кислотоутворюючими викидами при врахуванні метеорологічних параметрів території (за напрямком переважаючого вітру спочатку розміщують виробництва з високотемпературними газовими, а потім – з парокрапельними викидами);

- роззосередження в часі викидів, що плануються на заданий обсяг виробництва (наприклад, перехід карєрів на вибухи зі зменшеною масою вибухових речовин);

- підвищення ступеня очистки викидів і зниження відхідності впроваджених технологічних процесів (для охолодження зворотної води – це переведення градирень на бризкальний режим з застосуванням двосоплових відцентрових форсунок).

7. Переобладнання градирень на бризкальний режим роботи з використанням двосоплових відцентрових форсунок дозволяє за інших аналогічних умов збільшити глибину охолодження зворотної води на 70-80 %, знизити енерговитрати в 1,5-2,0 рази, зменшити викиди пару з бризкальних градирень на 1,9-5,0 %, з вентиляторних градирень – на 60-70 %.

8. Питома кількість вологи, яка випаровується із градирень протягом року, має нерівномірний характер з двома зонами максимальних значень, які приурочені до міжсезонних періодів (квітень і вересень) та двома мінімумами в липні (висока температура навколишнього повітря) та грудні (висока вологість повітря).

9. На процес кислотоутворення в межах зони локалізації промислових підприємств значно впливає напрямок вітру, в залежності від якого інтенсивність кислотоутворення змінюється в два і більше разів. За межами зони локалізації промислового виробництва тривалість процесу кислотоутворення залежить від вологості атмосферного повітря; відстань розповсюдження кислотних опадів залежить від швидкості вітру і змінюється від сотень до декількох тисяч кілометрів.

10. Залежність зміни інтенсивності кислотних опадів на земну поверхню при віддаленні від зони промислової агломерації має вигляд складної функції, що досягає максимуму при певному значенні аргументу, після чого експоненційно знижується до нуля на значній віддалі. Зменшення кількості пароводяних викидів віддаляє, а їх збільшення - наближає ділянку максимального кислотоутворення. Для умов території ПГПК при сухому повітрі (вологість 30-35 %) ця ділянка віддалена на 600 і більше кілометрів; при вологому повітрі (вологість 80-85 %) – на 250-300 км; при накладанні газових та пароводяних шлейфів – на відстані 30-40 км.

11. Запропонований в роботі показник екологічної небезпеки життєдіяльності враховує найбільш суттєві з екологічної точки зору параметри - густоту населення території, яка підлягає впливу несприятливих факторів; тривалість та рівень небезпеки впливу. Це дозволило здійснити науково обгрунтоване планування реабілітаційних заходів на забруднених територіях.

12. Рекомендації щодо підвищення ефективності роботи водоохолоджувальних споруд систем зворотного водопостачання впроваджені на Криворізькому коксохімічному заводі, Криворізькому металургійному комбінаті. Крім того, ці рекомендації були впроваджені на Дніпродзержинському коксохімічному заводі, Запорізькому виробничому обєднанні “Кремнійполімер”, ВАТ “Донецьккокс”, ВАТ “Маркохім” (м. Маріуполь), ДАК “Титан” (м. Армянськ) та інші (понад 50 підприємств України та 10 підприємств Росії).

Основні положення та результати дисертації опубліковані в таких роботах:

1. Шварцман В.М. Применение центробежных двухсопловых форсунок в оросительно-брызгальных градирнях // Строительство. Материаловедение. Машиностроение: Сб. научн. тр. Приднепровской гос. академии строительства и архитектуры. – Днепропетровск: ПДАБА.- 1998. - вып.5, часть 2. - С. 60-62.

2. Копач П.І., Шварцман В.М. Екологічний підхід до оцінки пароводяних викидів південної групи підприємств Кривбасу // Екологія і природокористування: Зб. наук. пр. Інституту проблем природокористування та екології НАН України. - Дніпропетровськ: ІППЕ НАН України. - 2000. - вип.2. - С.106-111.

3. Шапарь А.Г., Копач П.И., Шварцман В.М. Особенности трансформации загрязнителей атмосферы в зоне действия горно-металлургического комплекса // Металлургическая и горнорудная промышленность. - 2001. - № 2. - С.121-124.

4. Шварцман В.М. Тепломассообмен между несущей средой и дисперсной фазой // Вісник академії: Наук.та інформац. бюл. ПДАБА. - Дніпропетровськ: ПДАБА.- 1998. - № 5.- С.41-43.

5. Пат. 17621 А Украина, МКИ F 28 С 1/00. Градирня / В.М. Шварцман,

В.И. Степанок, Ю.К. Абрамович, Ф.Д. Гавриш, М.М. Пиниэлле (Украина). - № 96083296; Заявл. 20.08.96; Опубл. 06.05.97.

6. Пат. № 17301 А Украина, МКИ Г 28 С 1/00. Градирня / Ю.К. Абрамович, В.М. Шварцман (Украина).- № 96124533; Заявл. 04.12.96; Опубл. 01.04.97.

7. Пат. на полезную модель № 263 Украина, МКИ В 05 В 1/34. Центробежная форсунка для распыливания жидкости / В.М. Шварцман - №96083297; Заявл. от 20.08.96; Опубл. 25.12.98.

8. Пат. 17774 А Украина, МКИ В 05 В 1/34. Способ распыливания жидкости / В.М. Шварцман (Украина).- № 96083298; Заявл. 20.08.96; Опубл. 25.05.97.

9. Шапарь А.Г., Копач П.И., Шварцман В.М. Некоторые экологические аспекты воздействия объектов горного производства на прилегающие территории // Горный информационно-аналитический бюллетень. - М.: Моск. Гос. горный университет. - 2000. - № 11. – С. 200-207.

10. Копач П., Шварцман В. Механизм образования кислотных дождей из выбросов крупной промышленной агломерации // Технополис.- 2001. - № 7.- С. 27-29.

Особистий внесок автора у роботах, опублікованих у співавторстві полягає у наступному: [2,10] – постановка задач, виконання теоретичних розробок, аналіз результатів; [3,9] – виконання теоретичних розробок, розробка програмних засобів та проведення розрахунків, аналіз результатів; [5,6] – формулювання ідеї, постановка задач, аналіз результатів, формулювання висновків.

А н о т а ц і я

Шварцман В. М. Розробка методів зменшення кислотоутворення в атмосфері при експлуатації градирень на техногенно навантажених територіях. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 21.06.01. - "Техногенна безпека держави". - Національна гірнича академія України, Дніпропетровськ, 2002.

Дисертація присвячена розробці методів зменшення кислотоутворення в атмосфері великих промислових агломерацій при експлуатації на їх територіях градирень. У роботі досліджені процеси утворення газових та пароводяних викидів, здійснене фізико-математичне моделювання процесів кислотоутворення, розповсюдження по території та випадання на поверхню сірчаної та азотної кислоти. Розроблені параметри та конструктивні рішення щодо удосконаленню охолоджуючих пристроїв існуючих систем зворотного водопостачання. Запропонований показник екологічної небезпеки життєдіяльності на територіях, які підлягають впливу негативних чинників.

Ключові слова: кислотні опади, промислова агломерація, градирні, моделювання, техногенна безпека.

Аннотация

Шварцман В. М. Разработка методов снижения кислотообразования в атмосфере при эксплуатации градирен на техногенно нагруженных территориях. – Рукопись.

Диссертация на получение ученой степени кандидата технических наук по специальности 21.06.01. - "Техногенная безопасность государства". - Национальная горная академия Украины, Днепропетровск, 2002.

Диссертация посвящена вопросам разработки методов повышения техногенной безопасности территории при ее загрязнении выбросами компактно размещенной группы горно-металлургических предприятий. В работе рассматриваются процессы образования кислотных осадков за счет атмосферной трансформации газовых и пароводяных выбросов горнодобывающих, обогатительных, агломерационных, чугунно- и сталеплавильных, прокатных, коксохимических, цементных, тепло-энергетических и вспомогательных производств. Разработка методов снижения кислотообразования базируется на идее целенаправленного использования эффектов изменения характера кислотообразования под воздействием компоновочных, технологических и конструктивных решений на объектах кислотообразующих выбросов.

В работе исследован процесс образования и технологические возможности снижения газовых и пароводяных выбросов. Получены зависимости изменения выбросов загрязняющих веществ в атмосферу при спаде производства.

Проведено экспериментальное исследование процесса формирования капельного потока двусопловыми форсунками путем установления зависимостей таких его параметров, как угол раскрытия факелов форсунки, плотность орошения, дисперсный состав факела, равномерность факела, изменение плотности распределения факела по диаметру капель, начальные составляющие скорости движения капель от расхода охлаждаемой воды и конструктивных параметров форсунки. Выполнено исследование происходящих в камере форсунки процессов путем математического моделирования гидродинамики течения жидкости.Установлены рациональные конструктивные и гидродинамические параметры, обеспечивающие наибольшую глубину охлаждения разбрызгиваемой форсункой жидкости. Разработан ряд новых конструкций форсунок, обеспечивающих уменьшение капельных и пароводяных выбросов. Перевод градирен в брызгальный режим работы с использованием данных форсунок обеспечивает при прочих равных условиях увеличение глубины охлаждения оборотной воды на 70-80 %, снижение энергозатрат в 1,5-2,0 раза, снижение выноса пара за пределы башенных градирен на 1,9-5,0 %, за пределы вентиляторных градирен - на 60-70 %.

Рассмотрена физическая суть процессов кислотообразования с участием пароводяных выбросов, происходящих в загрязнённом атмосферном воздухе с момента выброса кислотообразующих соединений в окружающую среду до момента их трансформации и выпадения на земную поверхность. Осуществлено физико-математическое моделирование этих процессов для серной и азотной кислот. Получила дальнейшее развитие методика расчёта кислотного загрязнения от выбросов группы компактно расположенных промышленных предприятий на основе положения о том, что данную задачу необходимо последовательно решать на трёх уровнях – локальном, районном и региональном. Разработана методика группировки и укрупнения источников газовых кислотообразующих выбросов, в основу которой положена следующая иерархия объединяющих признаков: преобладающий ингредиент в составе выбросов, пространственное местоположение, температура выбросов, высота источника. Группировка источников пароводяных выбросов осуществлялась по типу охлаждающего устройства и степени загрязнения воды оборотного цикла.

Разработана физико-математическая модель трансформации, распространения в атмосфере кислотообразующих ингредиентов и выпадения кислот на земную поверхность. Установлено наличие в шлейфе с подветренной стороны по ходу его распространения зоны максимальной интенсивности массопереноса кислоты, местоположение которой зависит от влажности атмосферного воздуха.

Определены основные закономерности кислотного загрязнения сопредельной с промышленной агломерацией территории. Снижение количества пароводяных выбросов отодвигает, а их увеличение приближает к границе промзоны участок с максимальными кислотными осадками.

Разработана методика оценки техногенной безопасности по показателю экологической опасности жизнедеятельности, учитывающему наиболее существенные с экологической точки зрения параметры – численность населения территории, которая подвержена влиянию негативных факторов, длительность и уровень опасного влияния. На основании проведенных исследований составлена карта-схема экологической опасности для различных технологических и экологических ситуаций.

Ключевые слова: кислотные осадки, промышленная агломерация, градирни, моделирование, техногенная безопасность.

Summary

Shvartzman V. M. Development of methods for acid-forming decrease in the atmosphere in usage of furnaces on the heavy technogenic funnels territory . - Manuscript.

Theses for receiving the Technical Science Master degreeN 21.06.01) -Safety of State". - National Mining Academy, Dniepropetrovsk, 2002.

theses is dealing with the technogenic territory safety from the contamination with thefrom the closely situated group of mining - metallurgical plants.The problem of acid forming due to the dust, water-steam atmosphere transformation made by mining, extractive, concentrating, aglomaration, pig and steel melting, rolling, chemical, cement, thermoenergy and supplimentary productions is being regarded.

The process of gas and water steam bursts forming is studied. A number of new fuels supplying the reduction of drop and water-steam bursts are worked out.The physical essence of the acid forming process with the  water steam bursts which take place in the atmosphere from the moment of explosing to the atmosphere till the moment of their transformations and falling to the ground.The numeric physico-mathematical modelling of the acid forming, spreading on the territory and falling to the ground the surfuric and nitric acids is made. The technique of the technogenic safety evaluation index, taking into account the population number, duration and level of negative influence is worked out. On the bases of works done there is composed the chart of ecological danger for diffirent