CC BY
20
УДК 622.235.213.2
Гармашов А.С., Фролкина М.В., Михеев Д.И., Акинин Н.И.
НЕКОТОРЫЕ ПОДХОДЫ К ОЦЕНКЕ ЭКОТОКСИЧНОСТИ ПРОДУКТОВ ВЗРЫВА ПРОМЫШЛЕННЫХ ВВ
Гармашов Алексей Сергеевич, аспирант 2-го года обучения каф. ТСБ, garmashov@muctr.ru
Фролкина Мария Владимировна, магистрант 1-го года обучения каф. ТСБ
Михеев Денис Иголевич, ст. преподаватель каф. ТСБ
Акинин Николай Иванович, д.т.н., профессор, зав. каф. ТСБ
РХТУ им. Д.И. Менделеева, Москва, Российская Федерация
125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20
Главная задача настоящей работы заключается в описании и анализе некоторых расчетных подходов к оценке экотоксичности газообразных продуктов взрыва, полученных путем взрывания аммиачно-селитренных взрывчатых веществ (ВВ).
Ключевые слова: газообразные продукты взрыва, промышленные взрывчатые вещества, состав продуктов взрыва, токсичность.
SOME APPROACHES TO EVALUATING ECOTOXICITY OF INDUSTRIAL EXPLOSIVES
Garmashov A.S., Frolkina M.V., Mikheev.D.I, Akinin N.I.
Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
The main objective of this work is to describe and analyze some calculated approaches to assessing the ecotoxicity of gaseous explosion products obtained by blasting ammonium nitrate explosives.
В ходе ежегодной пресс-конференции главы государства, а именно «Послания Федеральному Собранию», президент Российской Федерации заявил, что, начиная с 2021 года, необходимо усиленно развивать исследования отечественных и зарубежных ученых по проблемам экологии [1].
Рассматривая крупные промышленные центры, необходимо выделить территории азиатской части России. Так как там находится основные месторождения полезных ископаемых, то экономически и логистически верным решением является расположение горно-обогатительных комбинатов (ГОК) вблизи мест добычи.
Как и отрасли энергетики, доля выбросов которых составляет 78,9% на 2017 год, так и остальная промышленность, исключая отрасли землепользования, изменений в землепользовании и лесного хозяйства (ЗИЗЛХ) являются потребителями природных ископаемых (каменный уголь, золотоносные руды и т.д.), добыча которых происходит с помощью промышленных взрывчатых веществ (ПВВ) [2].
Промышленные взрывчатые вещества (ПВВ) -взрывчатые вещества, используемые в мирных целях. При использовании взрывных зарядов для частичного разрушения горных пород различной крепости существует опасность травмирования, утраты здоровья или же смерти не только от механического действия взрыва, но и от токсичных газовых выбросов, полученных путем взрывного превращения ПВВ. Стоит отметить, что продукты взрыва (ПВ) оказывают прямое воздействие на атмосферный воздух, поверхностные (в случае расположения мест добычи вблизи рек и озер) и подземные воды, почвенный покров.
По данным Федеральной Службы по Экологическому, Технологическому и Атомному Надзору (ФСЭТАН, Ростехнадзор) количество ПВВ,
израсходованных организациями-потребителями в 2018 году составило 1.9 млн т (1.8 млн т в 2017 году)
[3].
В настоящее время приняты различные организационно-технические мероприятия
комплексного обеспечения безопасности работников от механического действия взрыва. Однако вопросам защиты человека и окружающей среды от токсичных газовых выбросов (продуктов взрыва) уделяется меньшее внимание. Полностью исключить применение взрывчатки, взрывное превращение которой ведет к образованию токсичных продуктов -невозможно.
Теоретически, при взрывании, в идеальных условиях, взрывчатое превращение ВВ с нулевым кислородным балансом (КБ) должно привести к образованию только конечных продуктов взрыва: углекислого газа (СО2), воды (Н2О) в виде пара и азота (N2). В практических, производственных условиях, применяют ВВ с КБ близким к нулю, с некоторыми отклонениями в положительную или отрицательную область. При КБ > 0 увеличивается эмиссия оксидов азота (NOx), а при КБ < 0 - оксида углерода (СО) [4].
С 1930-х годов начались поиски универсальной методики, которая отражала бы в лабораторных условиях картину, похожую на промышленное проведение взрывных работ. Основная проблема при проведении лабораторных опытов — значительная разница в результатах опытов, в сравнении с результатами, полученными при взрывных работах в производственных условиях. Ученые выделяют основные факторы, влияющие на образование ПВ: степень смешения компонентов, плотность заряда ВВ, вид оболочки патрона, обводнённость заряда, влияние окружающих заряд горных пород, величина зазоров в шпуре/скважине, размеры шпура/скважины, наличие забойки, и др. Другими словами - все
физические и физико-химические условия, присутствующие при проведении взрывных работ, влияют на образование ПВ [5-7].
Ведя речь о теоретических способах оценки газовой составляющей ПВ стоит отметить, что многими учеными были сделаны попытки разработки методик по расчету газообразных составов продуктов взрыва. Многие расчетные методики получили широкое распространение в расчетах индивидуальных (однокомпонентных) ВВ, и довольно хорошо согласовывались с результатами лабораторных испытаний. Основной алгоритм, представленный в научных трудах, включал в себя предполагаемый расчет ПВ. Авторы принимали образование оксидов азота равным нулю, потому что для них стоит задача не в расчете состава ПВ, а в том, чтобы по составу ПВ составить уравнения для расчета теплоты взрыва, основываясь на ПВ. Так сказать, поступали от обратного [8].
Если же говорить о смесевых составах (многокомпонентных и гетерогенных ВВ), то результаты расчетов плохо согласовывались с экспериментальными данными. Главная сложность расчетов состоит в том, что невозможно точно определить истинный состав ПВ к моменту завершения процесса их расширения. Уравнение, связывающее формулу индивидуального или смесевого ВВ с составом ПВ, называют уравнением реакции взрывчатого превращения. Это уравнение не даёт ни представления о большом количестве элементарных процессов, протекающих в зоне «химпика» детонационной волны (ДВ), ни точного состава ПВ, расширяющихся от состояния точки
Чепмена-Жуге, через подвижное равновесие на изоэнтропе до конечного состояния ПВ. Оно показывает конечный результат реакции превращения ВВ в ПВ [8]. Нельзя не отметить, что при расчете состава ПВ, в расчет вносятся довольно большие допущения. Дело в том, что продукты распада компонентов вступают во взаимодействие (вторичные реакции) в газовой фазе.
Задача работы заключалась в проведении количественного и качественного расчета составов ПВ для смесевых ВВ с дальнейшим анализом данных, с целью поиска новых расчетных подходов. Для реализации идеи мы использовали программные комплексы «Real» и «Shock and Detonation», разработанные учеными РХТУ им. Д.И. Менделеева [10,11], использовавшиеся ранее для оценки экотоксичности промышленных взрывчатых составов на основе энергоемких компонентов утилизируемых боеприпасов [11,12]
Исходя из вышесказанного, нами была предпринята попытка получить расчетные данные, с максимальным приближением к литературным данным. В процессе расчета мы использовали вириальное уравнение состояния, наиболее подходящее под специфику расчетов. В таблицах 1 и 2 сведены результаты расчетов ПВ в сравнении с экспериментальными данными из [13].
Наибольшая корреляция с экспериментальными данными выявлена при температуре 2400 К для Аммонита 6-ЖВ и 3080 К для Игданита 5,5. В аналогичных расчетах в программе «Shock and Detonation», значения температуры составили 3254 К и 2143 К соответственно.
Таблица 1
Сводная таблица результатов расчета в программах «Real» и «Shock and Detonation», и экспериментальных
Данные ВВ Количество, моль/кг
NxOy СО2 СО H2 CH4
Экспериментальные Аммонит 6-ЖВ 0,1295 7,4777 0,1518 0,0536 0,0107
данные Игданит 5,5 0,1696 2,0804 1,1830 0,4576 0,0893
Результаты расчета Аммонит 6-ЖВ 0,0720 6,2663 0,2056 0,1212 0
Real Игданит 5,5 0,3853 2,9577 0,9261 1,0990 0
Результаты расчета Аммонит 6-ЖВ 0,0647 6,4700 0,0019 0,0010 0
SD Игданит 5,5 0 3,8800 0,0007 0,0164 0,0001
Обращая внимание на отклонение результатов расчета от экспериментальные данных (таблица 2), необходимо отметить, что алгоритм расчета обеих программ основан на использовании вириального уравнения, однако, в некоторых случаях, результаты отличаются на несколько порядков. При сравнении количеств суммарных значений газообразных ПВ, большее отклонение от эксперимента наблюдается в результатах программы «Real». Если же акцентировать внимание на основных токсичных составляющих продуктов взрыва, то результаты расчета в «Shock and Detonation» отличаются от результатов, полученных в программе «Real», и экспериментальных данных, в несколько раз. Беря во
внимание последний столбец таблицы 2, можно заметить, что в результатах расчета обеих программ наблюдается отклонение не менее 32%. Суммарные количества оксидов азота и монооксида углерода в результатах расчета программы «Real» и экспериментом обладают минимальной разницей, однако при пересчете по методике [14] в условный монооксид углерода, в значениях наблюдается отклонение минимум в треть из-за того, что для пересчета концентраций оксидов азота в условный СО, коэффициент принимается равным 6,5, а у CO -1. Этим и объясняется разброс данных, связанный с заниженными значениями NO в расчетах.
Таблица 2
Сравнение результатов расчета в программах «Real» и «Shock and Detonation», и экспериментальных
данных [13].
Данные ВВ Сумма ПВ, моль/кг Д,% Только NxOy и СО, моль/кг Д,% В пересчете на условный СО, моль/кг Д,%
Экспериментальные данные Аммонит 6-ЖВ 7,8232 - 0,2813 - 0,9933 -
Игданит 5,5 3,9799 - 1,3527 - 2,2857 -
Результаты расчета Real Аммонит 6-ЖВ 6,6651 -14,80 0,2776 -1,30 0,6735 -32,20
Игданит 5,5 5,3682 -34,88 1,3115 -3,05 3,4308 +50,10
Результаты расчета SD Аммонит 6-ЖВ 6,5376 -16,43 0,0666 -76,33 0,4224 -57,47
Игданит 5,5 3,8972 -2,08 0,0007 -99,95 0,0007 -99,97
На сегодняшний день отсутствуют адекватные расчетные методы определения состава газообразных ПВ, а реализация экспериментального анализа ПВ с минимальными финансовыми затратами - невозможна. Рассматривая данный расчетный способ оценки экотоксичности ПВ, говорить о его применимости достаточно сложно, так как любые методы расчетов или прогнозирования, требуют доработки для учета практических наблюдений. Например, для ВВ на основе аммиачной селитры, на практике, наблюдаются большие концентрации оксидов азота в ПВ, даже при нулевом или близком к нулевому кислородному балансу, нежели в лабораторных условиях. Это объясняется неполнотой проходящих реакций из-за различных условий взрывания [4].
Список литературы
1. Государственный интернет-портал «Официальные сетевые ресурсы Президента России» (http://kremlin.ru/events/president/news/62582) [электронный ресурс, дата обращения: 15.02.2020].
2. Национальный доклад о кадастре антропогенных выбросов из источников и абсорбции поглотителями парниковых газов, не регулируемых Монреальским протоколом, за 1990-2018 годы / Федеральная служба по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (Росгидромет), Часть 1 изд. Москва: 2020.
3. Годовой отчет о деятельности Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору в 2018 году / Федеральная служба по экологическому, технологическому и атомному надзору / Москва: 2019.
4. Промышленные взрывчатые вещества / Дубнов Л.В., Бахаревич Н.С., Романов А.И. / М.: «Недра», 1988. - С. 26-62.
5. Ядовитые газы при подземных взрывных работах / Б.Д. Росси. / М.: Недра, 1966. - С. 12-60.
6. Справочник по промышленным взрывчатым
веществам и средствам взрывания / З.Г. Поздников, Б.Д. Росси. - Изд. 2, перераб. и доп. / М.: «Недра», 1977.
7. Взрывное дело. Сборник 68/25. Борьба с ядовитыми газами при взрывных работах и новые методы испытаний промышленных ВВ / М.: "Недра", 1970. - С. 8-23.
8. Физика взрыва / Под. Ред. Л.П. Орленко. -Изд. 3-е, переработанное. - В 2т. Т.1. / М.: «ФИЗМАТЛИТ», 2002. - С. 123-131.
9. Белов Г.В. «REAL Программный комплекс для моделирования равновесных состояний термодинамических систем при повышенных значениях температуры и давления» // Москва 19832007 - 23 с.
10. A.I. Sumin, V.N. Gamezo, B.N. Kondrikov, R.V. Raikova. Shock and detonation general kinetics and thermodynamics in reactive systems computer package. Trans. Of the 11-th (Int.) Detonation Symp., Snowmass, Colorado, USA. August 31-September 4, 1998, Bookcomp, Ampersand, 2000.
11. Анников В.Э., Акинин Н.И., Михеев Д.И., Ротенберг Е.В. Оценка экологической безопасности при утилизации артиллерийских боеприпасов // Взрывное дело. -№111/68. - 2014. - с. 275-282.
12. Акинин Н. И., Анников В. Э., Михеев Д. И., Трунин В. В. Разработка пороховых водно-гелевых составов пониженной экотоксичности // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). - 2018. - № 2. - С. 81-88.
13. Доманов В.П., Варнаков Ю.В., Батраков Д.Н., Плешаков К.А., Варнаков К.Ю. Исследования газовой вредности взрывчатых веществ, предназначенных для формирования скважинных зарядов // Вестник Научного центра 2012. - №2. -С.51-56.
14. Постановление Госгортехнадзора РФ "Об утверждении "Правил безопасности в угольных шахтах" от 05.06.2003 N 50 (ред. от 20.12.2010) // Российская газета
