МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

Національний Гірничий університет

ШВАРЦМАН Віктор Михайлович

УДК 504.3:628.512

підвищення екологічної безпеки шляхом зменшення кислотоутворення в атмосфері на техногенно навантажених територіях гірничо-металургійного комплексу

Спеціальність 21.06.01 "Екологічна безпека"

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Дніпропетровськ - 2004

Дисертацією є рукопис.

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

Науковий керівник член-кореспондент НАН України Шапар Аркадій Григорович, директор Інституту проблем природокористування та екології НАН України (м. Дніпропетровськ).

Офіційні опоненти:

– доктор технічних наук, професор Швидкий Микола Іванович, директор Українського державного науково-дослідного інституту безпеки праці та екології в гірничорудній та металургійній промисловості (м. Кривий Ріг), Міністерство промислової політики України;

– кандидат технічних наук, доцент Бобилєв Віталій Петрович, завідувач кафедри екології та охорони праці Національної металургійної академії України (м. Дніпропетровськ), Міністерство освіти і науки України.

Провідна установа – Східноукраїнський національний університет ім. В. Даля, кафедра екології і охорони праці (м. Луганськ), Міністерство освіти і науки України.

Захист дисертації відбудеться 7 липня 2004 р. о 1230 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.080.02 із захисту дисертацій при Національному гірничому університеті Міністерства освіти і науки України за адресою: 49027, м. Дніпропетровськ-27, просп. К. Маркса, 19.

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

Автореферат розісланий 04.06.2004 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

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

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Історичний досвід розвитку людства показав, що інтенсивне споживання природних ресурсів притаманне економічному зростанню цивілізації. Прискорений розвиток технологічної потужності в двадцятому столітті на два порядки розширив споживання невідновлювальних природних ресурсів, що поставило розвинуті країни перед фактом знищення свого природного середовища і створило реальну загрозу існуванню самої людини. Досягнення екологічної безпеки суспільства можливо лише за умов кардинального перегляду ідеології природокористування. І головним пунктом при цьому має стати забезпечення збалансованої з можливостями навколишнього середовища господарської діяльності.

Індикаторами ефективності природокористування суспільства є обсяг викидів забруднюючих речовин в атмосферу. З атмосферними викидами пов’язана проблема „кислотних дощів”, як одна з найбільш важливих проблем сучасності. При вивченні цієї проблеми, в першу чергу, необхідно встановити причини виникнення кислотних опадів, можливість впливу на їх утворення, що дозволить підвищити екологічну безпеку на техногенно навантажених територіях.

У зв’язку з цим в дисертаційній роботі сформульована актуальна науково-практична задача підвищення рівня екологічної безпеки території гірничо-металургійного комплексу з урахуванням діючих на підприємствах забруднюючих технологічних процесів і виробництв в цілому.

Зв’язок роботи з науковими програмами. Дисертаційне дослідження є складовою частиною науково-дослідних робіт, які виконуються в Інституті проблем природокористування та екології НАН України у відповідності з держбюджетною темою „Наукове обґрунтування 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), у якій автор розробив технічні засоби зниження негативного впливу на довкілля.

Обєкт дослідження – техногенне забруднення навколишнього середовища при взаємодії технологічних та атмосферних процесів на території гірничо-металургійного комплексу.

Предмет дослідження – закономірності кислотоутворення при попаданні пароводяних викидів водоохолоджуючих систем в забруднену атмосферу промислових районів.

Ідея роботи полягає у використанні ефектів зміни характеру кислотоутворення за рахунок використання технологічних, компоновочних та

конструктивних рішень на об’єктах пароводяних викидів.

Методи дослідження. Теоретичною і методологічною базою виконаних

досліджень є системний підхід до вирішення екологічних проблем територій великих промислових агломерацій. У роботі використовуються такі методи: математичної статистики – для перевірки експериментальних та теоретичних гіпотез на адекватність; планування експериментів, натурних спостережень, технічної кінозйомки – для досліджень процесів пароутворення при роботі водоохолоджуючих пристроїв; метеорології, аеро- та термодинаміки, математичного моделювання - для опису та розрахунку параметрів розповсюдження пароводяних викидів; аналізу та узагальнення науково-технічної інформації – для обґрунтування параметрів процесу хімічної трансформації кислотоутворюючих сполук.

Метою роботи є підвищення рівня екологічної безпеки техногенно навантаженої території шляхом розробки методів зменшення кислотоутворення в атмосфері.

Для досягнення цієї мети були поставлені та вирішені наступні задачі:

1) проаналізувати екологічну ситуацію на території навколо гірничо-металургійного комплексу для виявлення впливових та керованих факторів;

2) дослідити процеси пароутворення, розповсюдження в атмосфері та взаємодії з кислотоутворюючими атмосферними забруднювачами пароводяного шлейфу водоохолоджуючих споруд, як факторів зниження екологічної безпеки території;

3) обґрунтувати технічні засоби підвищення екологічної безпеки та розробити нові конструкції і конструктивні елементи охолоджуючих пристроїв системи оборотного водопостачання для зменшення пароводяних викидів та енергоспоживання;

4) провести натурні спостереження для перевірки результатів розрахунків інтенсивності кислотних опадів та розробити методику оцінки безпеки життєдіяльності на територіях, сусідніх із зоною гірничо-металургійного комплексу.

Наукова новизна одержаних результатів та наукові положення:

1) вперше встановлено, що кількість вологи, яка випаровується із водоохолоджуючих споруд і від якої залежить інтенсивність кислотоутворення, має нерівномірний характер з двома зонами максимальних значень в квітні і вересні та двома мінімумами в липні та грудні;

2) вперше, на основі комплексного вивчення процесів кислотоутворення за наявності на невеликій віддалі один від одного джерел газових та пароводяних викидів, встановлені залежності інтенсивності кислотоутворення від вологості повітря, швидкості та напрямку вітру;

3) вперше встановлені закономірності каплеутворення в водоохолоджуючих пристроях, які дозволяють розрахувати конструктивні параметри нової двосоплової відцентрової форсунки, виходячи з необхідних за умовами технології параметрів теплообміну, паровиділення та вимог екологічної безпеки;

4) запропоновано новий показник оцінки безпеки життєдіяльності на територіях, які підлягають техногенному впливу викидів кислотоутворюючих речовин, шляхом комплексного урахування суттєвих з екологічної точки зору параметрів - густоти населення території, тривалості та рівня небезпеки впливу.

На основі виконаних досліджень сформульовані такі наукові положення:

1. Екологічно безпечні пароводяні викиди при їх попаданні в атмосферу, забруднену оксидами азоту, діоксидом сірки і сірководнем перетворюються в домінуючий фактор кислотоутворення, як на території промислової агломерації, так і за її межами. Значення функції інтенсивності кислотних опадів при зміні 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. На території гірничо-металургійного комплексу за умов сухого повітря (вологість 30-35%) ця ділянка віддалена на 700 і більше кілометрів; за умов вологого повітря (вологість 80-85%) – на 230-250 км, за умов накладення газових та пароводяних шлейфів – на 60-70 км від промислової агломерації.

2. Для здійснення науково обґрунтованого планування реабілітаційних

заходів на техногенно навантажених територіях за критеріальний показник доцільно використовувати показник екологічної безпеки життєдіяльності, величина якого прямо пропорційна концентрації забруднювача, кількості випадків контакту з забруднювачем та тривалості впливу несприятливого фактору і обернено пропорційна значенню гранично допустимої концентрації забруднювача.

Достовірність наукових положень, висновків та рекомендацій, які сформульовані в дисертації, обґрунтована системним підходом до вирішення екологічних науково-практичних задач, використанням апробованих широкою практикою методів досліджень, перевіркою кількості виконаних експериментальних замірів на їх показовість, непротиріччям отриманих теоретичних результатів, їх достатньою подібністю з результатами експериментів та виробничої практики (відхилення не перевищували 10-15%), позитивними результатами перевірки технічних рішень і рекомендацій у промислових умовах.

Практичне значення результатів роботи полягає в тому що:

1) розроблені конструктивні рішення з удосконалення технічних засобів підвищення екологічної безпеки – охолоджувальних пристроїв існуючих систем оборотного водопостачання, що забезпечило зменшення у два рази капітальних витрат на їх реконструкцію порівняно з типовим варіантом;

2) розроблена методика оцінки ефективності реабілітаційних заходів для підвищення екологічної безпеки життєдіяльності на техногенно навантажених

територіях, яка прийнята до впровадження в проектах Українського державного інституту проектування металургійних заводів.

Реалізація результатів роботи. Матеріали дисертації були використані для підвищення екологічної безпеки техногенно навантажених територій – при плануванні реабілітаційних заходів для покращення їх екологічного стану, розробці робочої документації реконструкції градирень гірничо-збагачувальних, металургійних, машинобудівних, хімічних підприємств, теплових електростанцій та ін. Усього реконструйовано понад 70 об'єктів – на території України, серед яких на території гірничо-металургійного комплексу реконструйовано 5 секцій вентиляторних і 2 баштові градирні та 15 об`єктів оборотного водопостачання промислових виробництв Росії.

Особистий внесок здобувача. Автором особисто сформульована мета, ідея і науково-практична задача, наукове і практичне значення результатів роботи, наукові положення, висновки і рекомендації; обґрунтовані методи теоретичних та експериментальних досліджень, вивчена екологічна ситуація території навколо гірничо-металургійного комплексу, досліджені процеси пароутворення, розповсюдження в атмосфері, взаємодії пароводяного шлейфу водоохолоджуючих споруд з кислотоутворюючими забруднювачами, запропонований показник безпеки життєдіяльності та розроблена методика його визначення та застосування, розроблені та захищені патентами нові конструкції та конструктивні елементи охолоджуючих пристроїв систем оборотного водопостачання, проведені роботи з впровадження результатів досліджень у виробництво. Експериментальні дослідження виконані за безпосередньою участю автора.

Апробація роботи. Основні результати досліджень доповідались на засіданнях технічної ради Українського державного інституту проектування металургійних заводів (м. Дніпропетровськ, березень 2004 р.), засіданнях вченої ради Інституту проблем природокористування та екології НАН України (м. Дніпропетровськ, травень 2001 р.), міжнародному симпозіумі “Неделя горняка-2000” (Московський державний гірничий університет, Росія, листопад 2000 р.), міжнародній науково-практичній конференції "Проблеми природокористування, сталого розвитку та техногенної безпеки" (м. Дніпро-петровськ, жовтень 2001 р.), а також на науково-технічних нарадах ВАТ "Нижньодніпровський трубопрокатний завод" (м. Дніпропетровськ, травень 1996 р.), ВАТ Дніпродзержинський КХЗ (м. Дніпродзержинськ, Дніпропет-ровська обл., травень 2001 р.), Державне підприємство "Кремнійполімер" (м. Запоріжжя, червень 2000 р.), ВАТ СП АК "Тулачормет" (м. Тула, Росія, липень 1999 р.).

Публікації: За темою дисертації опубліковано 12 наукових праць, у тому числі 5 статей у фахових виданнях, 2 праці - матеріали конференцій. За результатами роботи отримано 3 патенти і 2 свідоцтва на корисну модель.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, п’яти розділів, висновку, списку використаних джерел на 17 сторінках, викладена на 273 сторінках машинописного тексту, містить 68 рисунків, 19 таблиць, 8 додатків на 51 сторінці.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовані 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.

У першому розділі "Сучасний стан проблеми, мета, задачі та методи досліджень" виконано обґрунтування об'єкту і предмету досліджень, розглянуто сучасний стан екологічної безпеки територій, суміжних з гірничо-металургійним комплексом, стан проблеми виникнення та запобігання утворенню кислотних опадів, проаналізовано сучасний рівень та стан охолоджуючих систем оборотного водопостачання, стан досліджень викидів забруднюючих хімічних речовин та пари на ділянках промислових підприємств.

Існуючу екологічну ситуацію в Україні можна охарактеризувати як кризову. Причини цього криються в ресурсоємному характері її економіки, нехтуванні екологічною безпекою та економією природних ресурсів. Це стосується, в першу чергу, підприємств гірничо-металургійного комплексу. У зв’язку з цим об'єктом дослідження обрано техногенне забруднення навколишнього середовища при взаємодії технологічних та атмосферних процесів на території південної частини Кривбасу.

В цій зоні на площі у 130 км2 розташовані два потужних гірничо-збагачувальних комплекси, найбільший в Україні металургійний комбінат, коксохімічний, суриковий та цементний заводи, підприємства будівельної індустрії, транспорту, енерговиробництва, ремонтно-механічні підприємства та інші. Технології, що функціонують на цій території, вимагають значної кількості технічної води, яка використовується, в основному, в зворотних системах водопостачання. Тому окрім викидів пилу, оксидів вуглецю, сірки, азоту, вуглеводів, важких металів та інших хімічних елементів, у межах цієї зони до атмосфери надходить значна кількість пари та дрібнодисперсної краплинної вологи, причому втрачається значна кількість оборотної води. 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, часто-густо більш небезпечних, ніж ті інгредієнти, що їх утворили. Така екологічна ситуація є типовою для крупних промислових агломерацій.

Вивчення хімічних і фотохімічних перетворень за участю компонентів забрудненого повітря розпочалося після виникнення катастрофічних смогів 50-х років. 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, В.Б. Кісільов та ін. Теоретичні дослідження розповсюдження викидів із вмістом домішок в атмосфері проводили А. Робертс, О. Сіммон, М.Е. Берлянд, Д.Л. Лайхтман, Х.Е. Крамер, П.І. Андреєв, М.М. Бєляєв та ін. Зменшенню рівня забруднення атмосфери гірничо-металургійних районів присвячені роботи М.І. Швидкого, О.В. Зберовського, Е.І. Єфремова, В.П. Бобилєва, М.Ф. Кременчуцького та ін. В розвиток теорії і практики охолоджуючих систем значний вклад внесли А.Т. Аверклєв, Ю.П. Ареф'єв, В.С. Пономаренко, А.Ф. Володін, В.А. Гладков, Б.С. Фарфоровський, В.В. Гончаров та ін.

Аналіз стану розробок та досліджень з питань екологічної безпеки техногенно навантажених територій формування пароводяних викидів, їх хімічної трансформації при розповсюдженні, економії водних ресурсів у системах водоохолодження дозволили виявити такі недоліки: більшість наукових робіт носять фрагментний характер, вони належать до різних наукових напрямків (хімії, метеорології, аерогазодинаміки, технології і т.п.), відсутні постановка і вирішення задачі підвищення екологічної безпеки та зменшення кислотоутворення що до великих промислових агломерацій, відсутні критерії оцінки екологічної небезпеки внаслідок викидів шкідливих речовин. На основі результатів виконаного аналізу обґрунтована актуальність теми, сформульовані мета і задачі дослідження.

Другий розділ „Дослідження екологічної ситуації на території впливу гірничо-металургійного комплексу” присвячений вивченню кількісних та якісних параметрів техногенного впливу цього комплексу на природне середовище. Докладно розглянута структура гірничо-металургійного комплексу, систематизовані всі види промислової діяльності, встановлені кількісні параметри атмосферних викидів і їх просторове розташування.

Обсяг кислотоутворюючих викидів в значній мірі залежить від можливості регулювання технологічних процесів, підвищення ефективності очистки викидів в спеціальних пристроях, заміни сировини та технологій, але ці можливості, як показав аналіз, досить обмежені.

Виконаними дослідженнями встановлено, що величина параметрів пароутворення залежить від температурних та вологісних режимів атмосфери та термодинамічних режимів роботи водоохолоджуючої споруди. Питома кількість води, яка випаровується, залежить від пори року і має нерівномірний характер. Періоди максимальних значень пароутворення приурочені до місяців квітня і вересня. Періоди мінімальних показників обумовлені високою температурою атмосферного повітря в липні та високою вологістю повітря в грудні.

На об’єм викидів вологи в атмосферу, при здійсненні технологічних процесів з водоохолодження, найбільше впливає тип водоохолоджуючої споруди. На території, що розглядається, функціонує 49 секцій вентиляторних градирень, 35 баштових градирень та 3 бризкальні басейни, сумарна потужність яких складає 375 тис. м3 охолодженої води за годину. В сучасних умовах існує надлишок виробничих потужностей водоохолоджуючих систем, а тому при ремонті та реконструкції їх доцільно переобладнувати з плівкових в крапельні за умов кардинального удосконалення пристроїв для подрібнення потоку води, як засобу зменшення викидів пару.

В третьому розділі „Дослідження процесів розповсюдження та взаємодії пароводяних і газових викидів з компонентами техногенно забрудненої атмосфери” 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.

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.

На основі цих висновків розроблена математична модель та виконане фізико-математичне моделювання процесів кислотоутворення, розповсюдження по території та випадання на поверхню сірчаної та азотної кислот. В контурах зони гірничо-металургійного комплексу знаходяться близько 2600 джерел викидів, тому для можливості здійснення моделювання виконані укрупнення джерел викидів за рахунок їх об`єднання з урахуванням типу виробництва, термодинамічних характеристик викидів та місцезнаходження джерел викидів.

Дана модель газових та пароводяних викидів основується на такому представленні процесів: 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, що паралельна дотичній до осі конусу та його твірної. Для кута в роботі отримана емпірична залежність від швидкості вітру U (рис. 1). Ця залежність є достовірною для швидкості вітру від 1,0 до 7,0 м/с.

Концентрація забруднювача в атмосферному повітрі Сх за напрямком вітру на віддалі Х від промислової агломерації розраховувалася за формулою:

, (1)

де М - інтенсивність викиду, г/с;

, В - відповідно довжина та ширина зони викидів гірничо-металургійного комплексу, м;

- висота шару приземної атмосферної циркуляції (рівноважного шару), м.

Встановлено, що на процес кислотоутворення в межах зони гірничо-металургійного комплексу суттєвий вплив має напрямок вітру, залежно від якого можливе накладання газових та пароводяних шлейфів. При цьому інтенсивність кислотоутворення в межах промислової зони змінюється в два та більше разів. За межами зони локалізації промислового виробництва цей фактор перестає бути важливим, а саму зону можна розглядати як єдине джерело викидів. Тривалість процесу кислотоутворення в цьому випадку більшій мірі залежить від вологості повітря. Дальність розповсюдження обумовлена вологістю атмосферного повітря та швидкістю вітру і складає сотні та тисячі кілометрів (рис. 2).

Для перевірки встановлених залежностей були проведені натурні спостереження за кислотністю випадів на території за межами промислової агломерації на ділянці довжиною 95 кілометрів. Відбір проб здійснювався при північно-західному вітрі, за якого виключається накладення впливу джерел промислового забруднення сусідніх територій. Лабораторне дослідження відібраних проб на кислотність підтвердило отримані при моделюванні тенденції зміни кислотності опадів.

Результати цього моделювання, а також результати аналізу статистичних даних метеослужби дозволили сформулювати перше наукове положення.

Четвертий розділ „Дослідження і розробка технічних засобів підвищення рівня екологічної безпеки - нових конструкцій водоохолоджуючих споруд системи оборотного водопостачання” присвячений дослідженню гідродинаміки водорозбризкуючих форсунок, фізико-математичному та натурному моделюванню роботи форсунок, вивченню процесів, які проходять в градирні і обумовлюють кількісні параметри виділення пари.

Виконані дослідження показали, що оптимальне з екологічної точки зору функціонування водоохолоджуючих систем обумовлюється параметрами крапельного потоку. Умови оптимізації крапельного потоку такі: верхня межа крупності крапель становить 1-2 мм (максимум 3 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 соплах 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 виникло завдання створити високопродуктивну форсунку.

Автором розроблено п`ять конструкцій форсунок для розбризкування води, які спроможні утворювати оптимальний крапельний потік. Для забезпечення функціонування форсунок в оптимальному режимі було виконано ряд теоретичних та експериментальних досліджень, під час яких було змодельовано процеси, які проходять в камері форсунки і впливають на характер розбризкування рідини.

Встановлено, що товщина плівки води на виході з форсунки залежить, в першу чергу, від співвідношення діаметрів камери та сопла форсунки і слабо залежить від витрат рідини. Експериментальні дослідження двофакельної відцентрової форсунки дозволили встановити такі інтегральні параметри розбризкування рідини, як кут розкриття факелу форсунки, щільність зрошення, однорідність факелу, щільність розподілу крапель за діаметром, глибину охолодження циркуляційної води від конструктивних параметрів.

Високі показники розпилення оборотної води двофакельною відцентро-вою форсункою дозволили виконати ефективну модернізацію вентиляторних градирень, яка полягає в переведенні градирень із зрошувального на бризкальний режим роботи без застосування вентилятора (рис. 3).

В цьому випадку за рахунок зняття зрошувача та краплевловлювача зменшується аеродинамічний опір градирні. При цьому кількість повітря, що поступає в градирню за рахунок ежекції, яка викликана рухом крапельного потоку, достатня для забезпечення необхідних параметрів охолодження циркуляційної води при щільності зрошення до 5,0 м3/м2годину. Основна маса пари виходить з градирні через вікна, які розміщені в нижній частині градирні. За межами градирні пара частково конденсується на спеціальних пристроях, а конденсат відводиться в басейн градирні.

Модернізація градирень забезпечила зменшення експлуатаційних енерго-витрат в 2 і більше разів, зниження паровиділення з баштових градирень та бризкальних басейнів на 1,9-5,0%, вентиляторних градирень – на 60-70%.

У п’ятому розділі „Обґрунтування принципів комплексної оцінки екологічної безпеки суміжних з гірничо-металургійним комплексом територій” наведені загальні принципи планування реабілітаційних робіт на основі запропонованих способів та технічних засобів покращення екологічного стану гірничо-металургійного комплексу.

Як було встановлено при вивчені екологічної обстановки формування техногенного та соціального середовища суміжної з зоною гірничо-металургійного комплексу 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, Долгінцевського та інших об'єктів. В такій ситуації постає задача екологічної реабілітації цієї території, яка повинна вирішуватися як з урахуванням містобудівного аспекту, так і з урахуванням фактору безпеки життєдіяльності. Для виконання науково обґрунтованого вибору варіантів реабілітаційних та природоохоронних заходів запропонований показник екологічної безпеки життєдіяльності Аб, який 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 (осіб/км2) до одиничного випадку n (1 особа/км2); тривалості впливу несприятливих факторів Тк (дні) до максимально можливої тривалості впливу Тр (кількість днів у році). Показник екологічної безпеки життєдіяльності Аб розраховується за формулою:

. (2)

Показник екологічної безпеки життєдіяльності змінюється від нуля (абсолютно безпечні екологічні умови) до деякого додатного числа. Для умов Кривбасу показник екологічної безпеки життєдіяльності змінюється від 40 (для незаселених сільськогосподарських територій) до 3500 (для густонаселеного міського району ПівГЗК) та 4810 (для Соцміста). З використанням цього показника виконано районування суміжних з промисловою зоною територій.

На рис. 4 приведена оцінка впливу гірничо-металургійного комплексу на суміжні території за показником екологічної безпеки життєдіяльності.

Першочерговим має бути визнано захід, в результаті реалізації якого буде отримано максимальне підвищення екологічної безпеки території, тобто буде виконуватися умова:

, (3)

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

k – кількість районованих ділянок території.

Результати досліджень, проведених в даному розділі дозволили сформулювати друге наукове положення.

ВИСНОВКИ

В дисертації, що є завершеною науково-дослідною роботою, поставлена і розв’язана актуальна науково-практична задача, яка полягає в підвищенні рівня екологічної безпеки техногенно навантаженої території гірничо-металургійного комплексу шляхом установлення закономірностей утворення, динаміки надходження, поширення та взаємодії в атмосфері промислових викидів кислотоутворюючих речовин, розробці нових технічних засобів зменшення кислотоутворення в атмосфері, обґрунтуванні методики оцінки екологічної ефективності реабілітаційних заходів на забруднених територіях, що має важливе природоохоронне та соціальне значення.

Найбільш важливі наукові і практичні результати, висновки та рекомендації полягають у наступному:

1. При вивченні екологічної ситуації на території навколо гірничо-металургійного комплексу встановлено:–

головними кислотоутворюючими сполуками викидів забруднюючих речовин гірничо-металургійного комплексу є діоксид сірки та оксиди азоту, кількість яких складає 11% від сумарного об`єму газових викидів;–

питомий вклад у кислотоутворення виробництв гірничо-металургійного комплексу: 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%, допоміжне – 1,3%, гірничо-збагачувальне – 1,1%, виробництво будматеріалів – 2,2%;–

переважаючий об’єм викидів вологи в атмосферу (96%) пов’язаний з водоохолоджуючими спорудами - градирням та бризкальними басейнами.

Кількість вологи, яка випаровується із водоохолоджуючих споруд, 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).

2. На процеси пароутворення, розповсюдження в атмосфері та кислотоутворення в межах зони локалізації промислових підприємств значно впливає напрямок вітру, залежно 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.

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 гірничо-металургійного комплексу 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 відстані 60-70 км.

3. Для підвищення екологічної безпеки за рахунок зниження кількості водяної пари, яка надходить до атмосфери з підприємств гірничо-металургійного комплексу, розроблено нові технічні засоби охолодження води, які дозволяють зменшити викиди пари з баштових градирень та бризкальних басейнів на 1,9-5,0%, з вентиляторних градирень – на 60-70%. Їх використання дозволило також знизити енерговитрати в 1,5-2,0 рази, зменшити втрати водних ресурсів тільки на врахованих об’єктах південної групи підприємств Кривбасу до 6,4 млн. м3 води за рік, що еквівалентно економії витрат в розмірі 348 тис. грн. за рік.

Для досягнення необхідних параметрів охолодження оборотної води при роботі нових конструкцій водоохолоджуючих споруд розроблена нова конструкція водорозбризкуючого пристрою – відцентрова двосоплова форсунка. Теоретичними та експериментальними дослідженнями 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 тиску води на вході у форсунку.

4. Проведено натурні спостереження, які з необхідним рівнем достовірності підтвердили результати розрахунків інтенсивності кислотних опадів на суміжних територіях.

Запропонований в роботі показник екологічної безпеки життєдіяльності враховує найбільш суттєві з екологічної точки зору параметри - густоту населення території, яка підлягає впливу несприятливих факторів; тривалість та рівень небезпеки впливу. Це дозволило розробити методику для здійснення науково обґрунтованого планування реабілітаційних заходів на забруднених територіях. Першочерговими є природоохоронні заходи, які стосуються територій з максимальними значеннями показника екологічної безпеки - Соцміста та жилмасиву ПiвдГЗК.

5. Підвищення екологічної безпеки території гірничо-металургійного комплексу здійснено за рахунок впровадження нових технічних засобів охолодження води в системах оборотного водопостачання на Криворізькому коксохімічному заводі та 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 інших (понад 70 підприємств України та 15 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 природо-користування: 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. Оцінка екологічної небезпеки забруднення атмосфери гірничо-металургійними комплексами // Вісник Житомирського інженерно-технологічного інституту. - Житомир: Житомирський інженерно-технологічний інститут. - 2003. - № 1 (24). - С. 273-282.

5. Шварцман В.М. Снижение ресурсоёмкости процессов охлаждения оборотной воды в градирнях // Екологія і природокористування: Зб. наук. пр. Інституту проблем природокористування та екології НАН України. - Дніпропетровськ: ІППЕ НАН України. - 2003. - вип. 6. - С.128-133.

6. Пат. на полезную модель № 263 Украина, МКИ В 05 В 1/34. Центро-

бежная форсунка для распыливания жидкости / В.М. Шварцман - №96083297; Заявл. от 20.08.96; Опубл. 25.12.98.

7. Пат. 17774 А Украина, МКИ В 05 В 1/34. Способ распыливания жидкости / В.М. Шварцман (Украина).- № 96083298; Заявл. 20.08.96; Опубл. 20.05.97.

8. Свидетельство на полезную модель RU 14858 U1 РФ, МКИ 7 В 05 В 1/34. Центробежная форсунка для охлаждения жидкости / В.М. Шварцман (Украина) . - № 2000106616; Заявл. 22.03.2000; Опубл. 10.09.2000.

9. Свидетельство на полезную модель RU 14760 U1 РФ, МКИ 7 В 06 В 1/34. Центробежная форсунка для охлаждения жидкости / В.М. Шварцман (Украина). - № 20001006615; Заявл. 22.03.2000; Опубл. 27.08.2000.

10. Деклараційний патент на корисну модель. - № 1860. Градирня / В.М. Шварцман; - Заявл. 17.09.2002; Опубл. 16.06.2003.

11. Шапарь А.Г., Копач П.И., Шварцман В.М. Некоторые экологические аспекты воздействия объектов горного производства на прилегающие территории // Горный информационно-аналитический бюллетень: Тр. Междунар. симпозиума “Неделя горняка – 2000”. – М.: Моск. гос. горный университет, 2000. – № 11. – С. 200-207.

12. Копач П., Шварцман В. Механизм образования кислотных дождей из выбросов крупной промышленной агломерации // Технополис: Тр. Міжнар. науково-практич. конф. „Проблеми природокористування, сталого розвитку та техногенної безпеки”. – Дніпропетровськ: ІППЕ НАН України, 2001. № 7. – С. 27-29.

Особистий внесок автора у роботах, опублікованих у співавторстві полягає у наступному: [2,12] – постановка задач, виконання теоретичних розробок, аналіз результатів; [3,11] – виконання теоретичних розробок, розробка програмних засобів та проведення розрахунків, аналіз результатів.

А н о т а ц і я

Шварцман В. М. Підвищення екологічної безпеки шляхом зменшення кислотоутворення в атмосфері на техногенно навантажених територіях гірничо-металургійного комплексу. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 21.06.01. - "Екологічна безпека". - Національний гірничий університет, Міністерство освіти і науки України, Дніпропетровськ, 2004.

Дисертація присвячена розробці методів підвищення екологічної безпеки на території гірничо-металургійного комплексу. 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. Обґрунтовані параметри та розроблені конструктивні рішення щодо удосконалення технічних засобів підвищення екологічної безпеки. Запропоновано показник та розроблено методику оцінки екологічної безпеки життєдіяльності на територіях, які підлягають впливу негативних чинників.

Ключові слова: екологічна безпека, гірничо-металургійний комплекс, кислотні опади, моделювання, водоохолоджуючі споруди, показник екологічної безпеки.

Аннотация

Шварцман В. М. Повышение экологической безопасности путём уменьшения кислотообразования в атмосфере на техногенно нагруженных территориях горно-металлургического комплекса. – Рукопись.

Диссертация на получение ученой степени кандидата технических наук по специальности 21.06.01. - "Экологическая безопасность". - Национальный горный университет, Министерство образования и науки Украины, Днепропетровск, 2004.

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

В работе исследован процесс образования и технологические возможности снижения кислотообразующих газовых и пароводяных выбросов. Установлено, что удельное количество испаряющейся из водоохлаждающих сооружений влаги, зависит не только от режима работы сооружений, но и от времени года и имеет неравномерный характер с двумя зонами максимальных значений, приуроченных к межсезонным периодам.

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. 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 водоохлаждающих сооружений в брызгальный режим работы с использованием данных форсунок обеспечивает 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. 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. Основные результаты моделирования подтверждены экспериментальными замерами.

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 безопасности жизнедеятельности, учитывающему наиболее существенные с экологической точки зрения параметры – численность населения территории, которая подвержена влиянию негативных факторов, длительность и уровень опасного влияния. Использование предложенного в работе показателя экологической безопасности жизнедеятельности позволяет осуществить районирование сопредельных с промышленной зоной территорий. В этом случае данный показатель может служить критерием оценки эффективности конкурентоспособных природоохранных мероприятий.

На основании проведенных исследований составлена карта-схема, отражающая состояние экологической безопасности территорий горно-металлургического комплекса.

Ключевые слова: экологическая безопасность, горно-металлургический комплекс, кислотные осадки, моделирование, водоохлаждающие сооружения, показатель экологической безопасности жизнедеятельности.

Summary

Shvartzman V.M. Increase of ecological safety by reduction acidformation in an atmosphere on technogenic the loaded terrains of a mining-and-metallurgical complex. - Manuscript.

Theses for receiving the Technical Science Master degree N 21.06.01) -safety". – National Mining university, Ministry of education and sciences of Ukraine, Dniepropetrovsk, 2004.

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 formingto the dust, water-steam atmosphere transformation  made by mining, extractive, concentrating, agglomeration, pig and steel melting, rolling, chemical, cement, thermoenergy and supplementary 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 expulsing to the atmosphere till the moment of their transformations and falling to the ground. The numeric physico-mathematical modeling of the acid forming, spreading on the territory and falling to the ground the sulphuric 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 different technological and ecological situations.

The key words: ecological safety, mining-and-metallurgical complex, acid precipitation, modeling, water cooler construction, safety evaluation index.