CC BY
68
ЭКОЛОГИЯ
УДК 624.131
КОМПЛЕКСНАЯ ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ ИЗ ОТХОДОВ ГОРНОГО ПРОИЗВОДСТВА
Г.Г. Рябов, В.И. Сарычев, А.А.Маликов, М.В. Хмелевский
Обоснованы теоретические положения геоэкологической оценки строительных материалов и изделий, полученных из отходов горного производства в сочетании с неутилизируемыми отходами других промышленных производств. Рассмотрены вопросы практического применения строительных материалов и изделий из отходов. Приведены практические рекомендации по обеспечению необходимым количеством воздуха для помещений, отделанных строительными материалами из отходов.
Ключевые слова: геоэкологическая оценка, отходы, горное производство, строительные материалы, газообмен, воздухообмен.
Введение. Очевидно, что развитие человеческого общества невозможно без взаимодействия с окружающей средой, а, следовательно, и воздействия на природу, без использования природных ресурсов. Люди преобразовывали, и будут преобразовывать природу. Важнейшей проблемой стратегии управления качеством окружающей природной среды является вопрос об организации системы, определяющей эффективность комплексного и экологически рационального использования природных ресурсов. Попытки максимального использования природных ресурсов, не подкрепленные достаточным знанием возможностей природы - способности к воспроизводству ресурсов и саморегулированию, - ведут к серьезным экологическим последствиям.
Устойчивое обеспечение потребностей промышленности во всех видах топлива и энергии, продукции металлургии и химической промышленности должно осуществляться за счет их добычи и производства. Рост эффективности добычи, обогащения и переработки полезных ископаемых и эффективное функционирование металлургических предприятий в условиях рыночной экономики можно осуществить только путем ускоренного роста производительности труда. Достижение этой цели возможно лишь на
основе внедрения высокоэффективных технологий нового уровня. Внедрение таких технологий в условиях рынка приведет к существенному повышению выхода отходов производства в газообразной, жидкой и твердой формах. Следовательно, особую актуальность приобретает проблема экологически рационального использования отходов производства как вторичного сырья и разработки научных принципов в создании новых технологических регламентов производства товарной продукции из отходов, и, прежде всего, из твердых отходов.
За последнее время доля утилизированных отходов заметно увеличилась, однако этот показатель по сравнению с ситуацией, имевшей место в недавнем прошлом в промышленности бывшего СССР, остается весьма низким. Очевидно, что производство строительных материалов и изделий из твердых отходов предприятий горно-металлургического комплекса является наиболее предпочтительным концептуальным положением в утилизации многих видов отходов. Поэтому целью комплексных исследований являлось установление новых и уточнение существующих закономерностей взаимодействия компонентов отходов горно-металлургических, теплоэнергетических и химико-технологических предприятий для разработки экологически рациональных технологий производства строительных материалов и изделий с использованием промышленных отходов. Идея разработанных технических мероприятий заключается в том, что экологически рациональные технологии производства строительных материалов и изделий с использованием промышленных отходов основываются на физико-химических закономерностях взаимодействий компонентов, определяющих эффективные рецептуры, интенсивность выбросов газов в атмосферу и технологические регламенты, оптимальные по энергоемкости [1].
Выбор экологически рациональной стратегии управления природопользованием требует комплексного крупномасштабного эксперимента, который позволил бы отработать на территории конкретного субъекта Российской Федерации всю совокупность мероприятий по оздоровлению экологической обстановки и охране здоровья населения. В качестве такого региона России весьма подходящей, на наш взгляд, оказалась Тульская область, так как здесь достаточно хорошо развиты сельское хозяйство и различные отрасли промышленность. Экономика области включает в свою структуру горнодобывающую, металлургическую, химическую и машиностроительную виды промышленности. В процессе комплексного изучения свойств отходов производства, предприятия горно-металлургического промышленного комплекса Тульской области рассматривались в качестве источников вторичного сырья для производства строительных материалов и изделий. Следует отметить, что использование также и отходов химической промышленности оказалось весьма эффективным при решении этой проблемы.
Технологические принципы производства строительных материалов из отходов и энергоемкость технологических процессов. На
территориях промышленно развитых регионов России образуются отходы производства, которые вследствие повышенной токсичности или ряда других причин не находят широкого применения ни в одной отрасли экономики, в том числе и в производстве строительных материалов. К числу мало-используемых отходов относятся металлургические шлаки, стоки химических производств, отходы угледобычи, буроугольные золы, шлам газоочистки доменных печей, и многие другие. Целенаправленный синтез из двух или нескольких легко смешивающихся между собой отходов в результате процесса химического взаимодействия, протекающего между компонентами смешивающихся отходов, может образовывать нетоксичный конечный продукт, играющий роль ценной добавки или сырья для производства строительных материалов. В целом же на основе экспериментальных и теоретических исследований были уточнены существующие закономерности взаимодействия компонентов отходов горнометаллургических и химических предприятий и разработаны экологически рациональные технологии производства строительных материалов и изделий с использованием промышленных отходов.
Использование целенаправленного синтеза приводит к тому, что, как правило, конечный продукт почти не требует дополнительных энергозатрат на его обработку, так как химическая реакция способствует образованию не только новых ценных сырьевых продуктов, но и производит работу диспергирования. Например, кубовые остатки от очистки газов мета-ноламиновым раствором, представляющие собой жидкие отходы темно-бурого цвета, повышают пластичность легкоплавких глин, снижают температуру обжига и соответственно повышают прочность керамического кирпича. Применение попутных отходов технологии получения аммиака в производстве строительного кирпича, растворов, бетонов способствует повышению качества и физико-механических свойств этих материалов [2]. При этом можно заменить дорогостоящие пигменты, например железный сурик, отработанными катализаторами.
Эти концептуальные положения позволили разработать комплекс новых технических решений по производству строительных материалов и изделий из отходов производства. Новизна технических решений подтверждается положительными решениями государственной патентной экспертизы. Общая характеристика экологически рациональных технологий заключается в следующем.
Разработан новый способ изготовления бетонных изделий, который обеспечивает снижение выбросов в атмосферу СО2 или SiF4 , расхода цемента, извести, кокса, качественного кварцевого песка и фтористого водорода. Предлагаемый способ изготовления бетонных изделий позволяет использовать в технологическом процессе отходы химической полировки
стеклоизделий, углекислый газ, фторид кремния и некондиционные кварцевые пески.
Получен новый состав керамической массы, который обеспечивает утилизацию битого стекла, брака керамического черепка и буроугольной золы Подмосковного угольного бассейна. Разработан новый состав ма-стично-песчаного шпаклевочного раствора, который позволяет повторно использовать отходы производства парфюмерно-косметической промышленности (ОПЛ - паста ланолина) и отходы производства капролактама. Обоснована новая технологическая схема производства строительных изделий, которая позволяет повторно использовать доменные шлаки, гидроотвальную низко кальциевую буроугольную золу от сжигания углей Подмосковного бассейна и отходы производства мела. Получен новый состав формовочной вяжущей смеси, который обеспечивает утилизацию зол уноса буроугольных тепловых электростанций, котельных шлаков и отходов производства полистирола. Разработанные новые технологии производства строительных материалов и изделий, а также составы смесей растворов обеспечивают соблюдение нормативных требований по прочности изделий и их внешнему виду.
Рассматривая произвольную технологическую операцию, можно утверждать, что в первом приближении скорость изменения энергии пропорциональна разности средних скоростей потребления и поступления энергии из внешних источников, следовательно, справедливо следующее уравнение:
где Ei - общее количество энергии, затраченное на выполнение ьй технологической операции к моменту времени V, К - константа скорости потребления энергии при выполнении ьй технологической операции; Е^ -
предельное значение энергоемкости ьй технологической операции.
Оптимизация процесса переработки отходов и получения из них строительных материалов может быть формально сведена к задаче математического программирования. Анализ решения уравнения (1) показал, что вектор параметров целевой функции можно выразить как логарифм отношения энергий Ei и Е^. Таким образом, целевая функция будет представлять собой линейные комбинации произведений констант К на длительности технологических операций Разумеется, что специальные и общие ограничения будут связаны с длительностью Результаты вычислительного эксперимента с использованием решения уравнения (1) позволили определить множество допустимых значений решений рассматриваемой задачи математического программирования. Очевидно, рассматриваемая задача линейного программирования будет допустимой, так как эта задача всегда будет иметь хотя бы одно допустимое решение. Точка ¿=1,2,3,
(1)
..., Non, где Non - количество технологических операций в оптимизируемой технологической схеме, которая характеризует оптимальное решение задачи, будет являться точкой глобального минимума.
В общем случае производства строительных материалов и изделий из промышленных отходов решение задачи минимизации энергозатрат на получение товарной продукции позволяет обеспечить эколого-экономическую рациональность технологических решений. Основные результаты оптимизации технологических процессов получены в виде оптимальных длительностей операций каждого технологического цикла.
Загрязнение воздуха при производстве и эксплуатации строительных материалов. Некоторые технологические процессы производства строительных материалов и изделий, а также и процессы их эксплуатации не оцениваются по экологическим критериям. Практика проектирования и эксплуатации технологических процессов по переработке отходов показывает, что до настоящего времени не прогнозируют возможные изменения газового состава в помещениях, отделанных материалами, полученными из отходов, и отсутствует четкая нормативная регламентация физико-химических свойств исходного сырья и товарной продукции. Особую остроту эта проблема приобретает в условиях наблюдающегося оживления промышленности при практически полном физическом и моральном износе очистных сооружений.
Практические задачи инвентаризации источников загрязнения атмосферы актуальны для любых предприятий независимо от вида производимой продукции. Развитие технологий приводит к необходимости решения научных задач по созданию методов инженерных расчетов выбросов пылегазовых загрязнителей в атмосферу. Аналогичная ситуация возникла и для технологий производства строительных материалов и изделий. До настоящего времени не было приемлемого метода расчета выбросов газов ократирования бетонов.
Ократирование - это процесс отложения продуктов реакции химически активного газа с гидроокисью кальция цементного камня в порах бетона. Например, реакция фторида кремния с гидроокисью кальция приводит к образованию фторида кальция и диоксида кремния - соединений, которые являются устойчивыми и нерастворимыми веществами. Эти продукты реакции увеличивают плотность и стойкость структуры бетона. Карбонизация бетона - процесс аналогичный ократированию, но при нем происходит взаимодействие углекислого газа с гидроокисью кальция. Далее мы не делаем различия, между этими процессами называя их ократированием.
Большинство встречающихся строительных материалов и изделий являются проницаемыми для газов и их смесей. Разумеется, что в этом отношении наиболее важным физическим свойством является пористость, характеризующая способность материала вмещать газообразную фазу. Пористость по условиям ее образования условно можно разделить на первич-
ную пористость и вторичную. Первичная пористость образуется в процессе изготовления строительных изделий. Вторичная пористость (часто эта пористость является скорее трещиноватостью) возникает в процессе эксплуатации материала или изделия. Первичная пористость может быть межзернистой, как, например, пористость песчаников, или межкристаллической или оолитовой, типичной для карбонатных пород. Вторичная пористость может образовываться вследствие растрескивания материалов или за счет пустот и каверн растворения. Выдвинутые гипотезы были проверены экспериментально. Для этого изучалась надмолекулярная структура строительных материалов электронно-микроскопическим методом.
Визуальный анализ фотографий показывает, что поровые каналы могут являться транспортными каналами при диффузионном переносе газов, так как их размеры приблизительно имеют тот же порядок, что и средние значения длин свободного пробега молекул. То есть в этих случаях возможны как кнудсеновская, так и фольмеровская виды диффузии. Конфигурация пор довольно сложная, но распределение пор сравнительно однородно. Сложность конфигурации поровых каналов объясняется влиянием многих технологических факторов, проявляющихся в процессе производства строительных материалов и изделий. Разумеется, что с точки зрения практической весьма важно оценить диффузионное сопротивление движению газов в пористой структуре строительных материалов и изделий. Диффузионный перенос газов в строительных материалов будет существенно осложняться процессами сорбционного обмена между газообразной и твердой фазами. Поверхность, на которой может происходить данный массообменный процесс, весьма велика, поэтому хемосорбция приведет к возникновению тех или иных химических реакций. В процессе химических реакций возможно также и изменение пористой структуры материалов.
Взаимодействие газов с веществом бетона при процессе ократиро-вания происходит за счет проникновения газов в пористую структуру бетона и диффузионного переноса газовых молекул в микропорах и по внутренним поверхностям твердого скелета. Система внутренних пор является в этом случае транспортными каналами для проникновения газов внутрь бетона. Молекулы газов будут сорбироваться твердыми поверхностями транспортных каналов, а затем вступать в химические реакции с компонентами бетона. Следовательно, процессы диффузионного переноса углекислого газа и фтористого кремния в бетоне, необходимо учитывать при оценке экологической рациональности технологий производства бетонов. Интенсивность этих процессов при фиксированном уровне внешних воздействий зависит от диффузионного сопротивления среды, в которой распространяется газ. Диффузионное сопротивление бетона движению через него углекислого газа или фтористого кремния можно характеризовать коэффициентом эффективной диффузии, так как в реальных условиях
наблюдается как кнудсеновская, так и фольмеровская диффузия и разделить эти два вида диффузионного переноса чрезвычайно сложно.
Коэффициент эффективной диффузии газов в бетоне является мак-рокинетической характеристикой переноса. Поэтому очевидна связь этого параметра с прочностными характеристиками бетонов, с одной стороны, и выбросами газов, использованных для ократирования, в атмосферу - с другой. Разумеется, что расчет динамики выбросов загрязнителей в атмосферу целесообразно осуществлять на стадии проектирования технологического процесса [3].
Процесс газообмена с атмосферой при ократировании бетонных изделий вполне возможно рассматривать при следующих допущениях: концентрация газов ократирования в камере, заполненной газами, зависит только от времени; изменение концентрации газов в рассматриваемом объеме происходит очень быстро. Тогда физически обоснованным и практически целесообразным является использование методов интегральной газовой динамики. Решение уравнения интегральной газовой динамики для камеры ократирования при постоянных начальных условиях получено в виде
С (к) _ ci(0) еХР
| / (t) *
(2)
где с^к), с^0) - значения массовой концентрации газов ократирования в произвольный и начальный моменты, кг/м3; Di — коэффициенты эффективной диффузии 1-го газового компонента; Sв.п. - суммарная площадь внешних поверхностей изделий, находящихся в камере ократирования, м2; T - длительность процесса ократирования, ч; ОД - функция, учитывающая кинетику сорбции газов ократирования.
Разумеется, что, зная численные значения массовых концентраций с1(к) и с^0), можно построить функциональную связь газовых выбросов в атмосферу с технологическими параметрами. Результаты расчетов функции ОД для широкого интервала значений физико-химических свойств бетонов показывают, что эта функция, как правило, имеет линейный вид. Обозначив 0 = ^^Т/Г^ где Г — постоянная Генри для процесса сорбции 1-го газа веществом бетона; и^0) - начальная скорость сорбции 1-го газа, получим для вычисления интеграла в зависимости (2) следующую приближенную формулу:
к 0Р при 0 < 0 < 2;
3 (0) = <) + к 0 при 2 < 0 < 20; (3)
к 0 при 0 > 20,
где J0, Р - коэффициенты аппроксимирующих функций.
Значения коэффициентов корреляции для аппроксимирующих функций в формуле (3) близки к 1, что свидетельствует о высокой точности аппроксимации. Обобщение результатов вычислительных экспериментов позволяет представить расчетную зависимость выбросов загрязнителей в атмосферу в следующем виде:
Ыг = тцс< (0){1 - ехр[-8вя^ (0)]}, (4)
где М1 - масса валовых выбросов ьго газа, используемого при ократирова-
-5
нии, в атмосферу, кг/год; О - объем камеры ократирования, м ; N - число циклов ократирования в течение года, 1/год.
Практическая апробация расчетной зависимости (4) дает удовлетворительную сходимость с данными натурных наблюдений. Разработанные комплекты математических моделей для прогноза валовых выбросов газов ократирования бетонов в атмосферу существенно облегчают решение задач по инвентаризации источников загрязнения воздушного бассейна.
Нестационарные одномерные поля концентрации кислорода, проникающего в пористую структуру строительного материала, и концентраций газов, образующихся в данной пористой среде, описываются уравнениями параболического типа в частных производных со стоком пропорциональным концентрации кислорода в твердой фазе. Нестационарные одномерные поля концентрации газов возможных химических реакций в строительных конструкциях из пористого материала, тоже описываются уравнениями параболического типа в частных производных, но уже с постоянным источником.
Анализ результатов вычислительного эксперимента свидетельствует о том, что теоретическая динамика поля концентраций 1-го газа в слое пористого сорбирующего материала может быть представлена в виде монотонно убывающих кривых, стремящихся с течением времени к стационарному распределению. Расчетные значения средней теоретической скорости газовыделения с поверхности строительного изделия пропорциональны корню квадратному от времени процесса газообмена. Взаимодействие кислорода с веществом строительных материалов представляет собой многостадийную, гетерогенную реакцию.
Анализ надмолекулярных структур различных строительных материалов, полученных с использованием промышленных отходов, показал, что диффузионная модель газообмена между воздухом и строительными материалами в помещениях является физически обоснованной. Математические модели воздухообмена в этом случае имеют вид: ■ по фактору поглощения кислорода
( Ь + 5Лл
Ьпр + 5сЛ еХР
с, (/) с
Кк/ Ь +5 Л
пр с
V у
(5)
■ по фактору возможных выделений газообразных продуктов реакций в веществе строительных материалов и изделий
( С - С* ) ехр рАВ, I ( ,)
у/Ц
I ехр (с2) ас
ёт.
(6)
где V: - объем помещения; Lпp, Lпp.i - количество приточного воздуха по фактору поглощения кислорода и разбавления ьго газа соответственно; pi -плотность i-го газообразного продукта химических реакций; Sc - суммарная площадь поверхностей поглощающих кислород или выделяющих газы; А, Вi - кинетические параметры; ^ - кратность воздухообмена по 1-му газу.
Результаты вычислительных экспериментов, представленные в таблице, свидетельствуют о том, что использование методов интегральной газовой динамики для расчета количества приточного по факторам поглощения кислорода и выделения газообразных продуктов химических реакций в помещения, отделанные материалами, имеющими пористую структуру, является физически обоснованным и практически целесообразным.
Кратности ^ воздухообмена по притоку воздуха в помещения
Вид помещения Разбавление газов Компенсация потерь кислорода
Значение произведения 105 8сБ1, м3/ч Расчетная кратность воздухообмена, 1/ч Значение произведения 1028сЛ, м3/ч Расчетная кратность воздухообмена, 1/ч
Жилая комната 3,21 4,07 6,64 5,14
Офис 2,14 1,48 1,90 1,47
Аудитория 2,49 2,15 2,37 1,81
Кухня 2,78 2,84 4,47 3,67
Приемная 2,16 1,50 3,79 2,94
При этом прогнозные значения кратности воздухообмена изменяются от 1,48 до 5,14. Следовательно, для обеспечения экологически безопасной эксплуатации строительных материалов, контактирующих с воздухом обслуживаемой зоны помещений, требуется учитывать закономерности (5) и (6) при расчете воздухообмена в помещениях. Эта рекомендация носит общий характер независимо от исходного сырья, использованного для производства строительных материалов.
Заключение. На основе экспериментальных и теоретических исследований установлены новые и уточнены существующие закономерности взаимодействия компонентов отходов горно-металлургических и химических предприятий и разработаны экологически рациональные технологии производства строительных материалов и изделий с использованием промышленных отходов, что имеет важное социальное значение для про-мышленно развитых регионов России. Также установлены новые и уточнены существующие закономерности динамики образования и утилизации
отходов горно-металлургических, теплоэнергетических и химико-технологических предприятий с учетом их токсичности и физико-химических свойств и разработаны методические положения, позволяющие обеспечить экологическую безопасность применения строительных материалов по аэрологическому фактору.
Основные научные положения выполненных комплексных исследований заключаются в следующем:
экологическая оптимизация процесса получения строительных материалов из отходов производства может быть формально сведена к задаче математического программирования, где условие неубывания целевой функции, характеризующей энергоемкость технологий переработки отходов, свидетельствует о том, что ее минимум может быть обеспечен при минимуме всех функций ^(х(у)), входящих в ее состав;
физически обоснованным и практически целесообразным является использование методов интегральной газовой динамики для расчета валовых выбросов газов ократирования в атмосферу;
нестационарные одномерные поля концентрации кислорода, проникающего в пористую структуру строительного материала, и концентраций газов, образующихся в данной пористой среде, описываются уравнениями параболического типа в частных производных;
физически обоснованным и практически целесообразным является использование методов интегральной газовой динамики для расчета воздухообмена по факторам поглощения кислорода и выделения газообразных продуктов химических реакций в помещения, отделанные материалами, имеющими пористую структуру.
Список литературы
1. Качурин Н.М., Ефимов В.И., Воробьев С.А. Методика прогнозирования экологических последствий подземной добычи угля в России // Горный журнал. 2014. №9. С. 138-142.
2. Качурин Н.М., Воробьев С.А., Факторович В.В. Теоретические положения и модели воздействия на окружающую среду подземной добычи полезных ископаемых//Известия ТулГУ. Науки о Земле. 2013. Вып.3. С.126-134.
3. Экологические последствия подземной геотехнологии добычи угля / Э.М. Соколов [и др.]// Известия ТулГУ. Науки о Земле. 2011. Вып. 1. С. 27-40.
Рябов Геннадий Гаврилович, д-р техн. наук, проф., galina_stas@mail.ги, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Сарычев Владимир Иванович, д-р техн. наук, проф., galina_stas@mail.ги, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Маликов Андрей Андреевич, д-р техн. наук, проф., galina_stas@,mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Хмелевский Максим Викторович, аспирант, ecology@tsu. tula. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
COMPLEX ENVIRONMENTAL EVALUATING CONSTRUCTION MATERIALS AND PRODUCT OF MINING WASTES
G.G. Riybov, V.I. Sarichev, A.A. Malikov, M.V. Hmelevskiy
Theoretical principals of environmental evaluating construction materials and product of mining wastes with using nonutilizable wastes other industrial enterprises were substantiated. Problems of practical using construction materials and product of mining wastes were considered. Practical measures by providing necessity quantity of air for rooms decorating construction materials of wastes were given.
Key words: environmental evaluating, wastes, mining industry, construction materials, gas-changing, air-changing.
Riybov Gennadiy Gavrilovich, Doctor of Technical Sciences, Full Professor, galina_stas@,mail. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Sarichev Vladimir Ivanovich, Doctor of Technical Sciences, Professor, ecolo-gy@tsu.tula.ru , Russia, Tula, Tula State University,
Malikov Andrei Andreevich, Doctor of Technical Sciences, Full Professor, Chief of a Department, ecology@tsu.tula.ru , Russia, Tula, Tula State University,
Hmelevskiy Maxim Victorovich, Post Graduate Student, ecology@tsu.tula.ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 502.131
МЕТОДИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ ОЦЕНКИ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ТЕРРИТОРИИ ГОРНОПРОМЫШЛЕННОГО
РЕГИОНА
Э.М. Соколов, А.А. Маликов, Л.Л. Рыбак, С.М. Богданов
Рост производства и повышение материального уровня жизни уже нельзя рассматривать без учета того воздействия, какое оказывают эти процессы на окружающую среду. Появилось важное понятие эколого-экономической системы, представляющей собой совокупность взаимосвязанных экономических, технических, социальных и природных факторов в окружающем человека мире. Возрастающие масштабы антропогенного воздействия на природу требуют глубокого изучения.
Ключевые слова: горнопромышленный регион, эколого-экономическая система, окружающая среда, экологическая оценка, устойчивое развитие.
Воздействие человека на природную среду в процессе хозяйственной деятельности приобретает глобальный характер. По масштабам извле-
