CC BY
228
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ
Вип.№11
2001р.
ТЕХНОГЕННА БЕЗПЕКА
УДК 669.1:502
Филантропова В.А.1, Шам П.И.2
О ЗАГРЯЗНЕНИИ АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА ПРЕДПРИЯТИЯМИ
ЧЕРНОЙ МЕТАЛЛУРГИИ
Проанализированы проблемы, связанные с техногенным загрязнением атмосферного вохдуха углекислым газом, получены данные для оценки и прогнозирования такого загрязнения предприятиями черной металлургии и выявлены значительные изменения концентрации углекислого газа в воздухе исследуемых регионов.
В настоящее время при нормировании загрязнения воздушного бассейна устанавливаются предельно допустимые концентрации пыли и ядовитых газов в атмосферном воздухе населенных пунктов и предельно допустимые выбросы этих веществ от источников загрязнения исходя из условия предотвращения отрицательного их действия на организм человека. Предприятия обязаны обеспечивать установленные показатели. Выбросы в атмосферу неядовитых газов не нормируются, так как при фактических значениях указанных факторов их вредное влияние на организм человека не проявляется. Однако данные глобального мониторинга окружающей среды свидетельствуют об изменении в последние годы и потеплении климата на планете из-за значительного выброса в атмосферу не вредного для человека (при концентрациях до 2 %) углекислого газа.
Известно, что повышение содержания углекислого газа в атмосферном воздухе, зависящее от деятельности человека, определяет изменения в функционировании составляющих системы углеродного цикла и климата в определенных регионах и на планете.
Первое проявляется в полезном влиянии повышения содержания углекислого газа на интенсивный рост растений, обусловленный ускорением фотосинтеза; второе - в отрицательном влиянии повышения содержания углекислого газа на изменение климата. Углекислый газ атмосферы пропускает коротковолновые тепловые излучения Солнца и задерживает длинноволновые, излучаемые Землей, создавая парниковый эффект, из-за которого происходит потепление климата.
В 70-е годы содержание углекислого газа в чистом атмосферном воздухе различных районов Земли колебалось в пределах 0,02-0,04 % [1]. Это значение (примерно 0,03 %) [2] было характерным для предыдущего периода и обеспечивало сложившиеся условия функционирования углеродного цикла и климатические условия на Земле.
Со второй половины XX века наблюдается резкое возрастание количества сжигаемого топлива, в результате чего в атмосферу выбрасываются все возрастающие количества углекислого газа. Так, согласно [3], в 1980 году в атмосферу выбрасывалось 20 млрд. тонн углекислого газа.
Известно [4], что выделение вредных веществ в атмосферу от сжигания топлива и технологических процессов возрастает в 2 раза через каждые 12-14 лет. Исходя из этого, можно считать, что в 2000 году выделение углекислого газа в атмосферу составляло около 60 млрд. тонн, а в 2006 году будет около 80 млрд. тонн. Количество углекислого газа в воздухе атмосферы по оценке, приведенной в источнике [5], находится в пределах 1 530х109-2 5 00х109 тонн. Таким образом, в 2000 году поступление углекислого газа в атмосферу от техногенных источников составляло 3 % от количества углекислого газа, содержащегося в атмосфере. Это должно приводить к увеличению концентрации углекислого газа в атмосферном воздухе. И хотя имеющиеся в литературе сведения об ожидаемом значительном повышении концентрации углеки-
1 ПГТУ, соискатель
2 ПГТУ, канд. техн. наук, доцент
слого газа в атмосферном воздухе, например, в несколько раз в 2000 году по сравнению с 1980 годом [3] не подтверждаются из-за недостаточной изученности процессов поглощения углекислого газа на Земле, многие ученые отмечают [2], что экспоненциальный рост сжигания энергетического топлива неизбежно будет сопровождаться парниковым эффектом, в результате которого средняя температура на нашей планете будет расти. По данным, приведенным в источнике [5], при содержании углекислого газа в атмосфере 0,1 % температура Земли увеличится на 6°С.
Кроме этого, возрастающие количества углекислого газа, выбрасываемого в атмосферу различными техногенными источниками, в смеси с другими газами и пылью, содержащимися в выбросах и в атмосфере, образуют в атмосферном воздухе аэрозоли, изменяющие пропускание теплового излучения, влияющего на локальный и глобальный нагрев атмосферы и изменение климата.
Для предотвращения надвигающихся нежелательных для людей последствий необходимо обеспечить локальное и глобальное регулирование выбросов углекислого газа в атмосферу различными предприятиями на основе:
определения массы выбросов углекислого газа в атмосферу различными техногенными источниками;
изучения распределения и накопления углекислого газа в атмосферном воздухе регионов и глобально;
выявления последствий локального и глобального повышения содержания углекислого газа в атмосферном воздухе;
нормирования загрязнения воздуха углекислым газом и его выбросов предприятиями.
Одним из важнейших источников загрязнения атмосферного воздуха углекислым газом, пылью и другими вредными веществами являются предприятия черной металлургии.
В основном углекислый газ, выделяемый в атмосферу металлургическими предприятиями, образуется при производстве извести, агломерата, чугуна, стали, проката, электрической энергии в результате сжигания топлива и при осуществлении технологических процессов. Оценку выбросов углекислого газа в атмосферу в этом случае наиболее удобно производить, используя выделения углекислого газа на 1 тонну выпускаемой продукции (по удельным выделениям). В настоящей работе расчетным и экспериментальным путем определены удельные выделения углекислого газа при производстве единицы указанной продукции металлургического предприятия. В работе учитывались основные характеристики процессов и показатели, определяющие выделение углекислого газа в атмосферу при производстве продукции на металлургических предприятиях Украины.
Принято, что известь получают в известково-обжиговых печах путем обжига известняка, содержащего 41,5 % углекислого газа, с использованием в качестве топлива природного газа, расход которого на 1 тонну извести составляет 144 кг.
Так как оставшийся из-за недожога в извести углекислый газ выделится при использовании извести на предприятии, считаем, что весь углекислый газ известняка выделяется при производстве извести. Тогда выделение углекислого газа на 1 тонну извести составит 722 кг от диссоциации карбонатов и 396 кг от сжигания природного газа, всего 1 118 кг.
Агломерат получают на агломашинах путем спекания шихты, состоящей из железистого концентрата, известняка, коксика и угля. Расход известняка составляет 225 кг/т, коксика и угля -50 кг/т. Содержание золы в смеси коксика и угля - 13 %, углекислого газа в известняке -41,5 %. Удельное выделение углекислого газа в атмосферу при производстве 1 т агломерата составляет 254 кг. Определялось суммированием 160 кг углекислого газа, выделяющегося при сжигании углерода коксика и угля, расходуемых на 1 т агломерата, а также 94 кг углекислого газа, выделяющегося при диссоциации известняка, расходуемого на 1 т агломерата.
Чугун получают в доменных печах с использованием агломерата, известняка, кокса и природного газа. Удельный расход кокса - 600 кг на тонну чугуна, известняка - 20 кг/т, природного газа - 57 кг/т. Зольность кокса - 10 %. Нагрев воздуха, вдуваемого в доменную печь, осуществляется в воздухонагревателях за счет тепла сжигания смеси доменного и природного газов. Расход природного газа при этом составляет 7 кг на 1 тонну чугуна. Весь углерод кокса (за минусом 4% массы кокса, остающейся в чугуне) окисляется до углекислого газа (частично в доменных печах, частично при сжигании доменного газа в воздухонагревателях, нагревательных печах прокатных цехов, на ТЭЦ, в известково-обжиговых печах и на свечах), который вы-
брасывается в атмосферу. Поэтому удельное выделение углекислого газа в атмосферу при производстве 1 тонны чугуна определялось суммированием 1 901 кг углекислого газа, образующегося при окислении углерода кокса (за минусом 4% его массы), 8,0 кг - выделяющегося при диссоциации известняка и 176 кг - образующегося при окислении углерода природного газа (вдуваемого в печь и сжигаемого в воздухонагревателях), которые расходуются на производство 1 тонны чугуна. А углекислый газ, образующийся при сжигании доменного газа в различных цехах предприятия, в дальнейших расчетах не учитывается. Общие выделения углекислого газа при производстве 1 тонны чугуна составляют 2 085 кг.
Сталь на металлургических комбинатах получают в основном в кислородных конвертерах и мартеновских печах.
В кислородных конвертерах окисляется 3,8 % углерода, вносимого чугуном. Расход чугуна - 830 кг на 1 тонну стали. При полном дожигании оксида углерода в атмосферу выделяется 116 кг углекислого газа на 1 тонну конвертерной стали.
Выделение углекислого газа в атмосферу при производстве стали в мартеновских печах, работающих с использованием природного газа и мазута, определялось суммированием углекислого газа, образующегося от сжигания топлива (природного газа и мазута), диссоциации в печи известняка и окисления углерода чугуна. На 1 тонну стали расход природного газа составляет 45 кг, мазута - 30 кг, известняка - 59 кг, чугуна - 685 кг. В мартеновских печах окисляется 3,8 % углерода чугуна. Расчет показывает, что на 1 тонну стали, выплавленной в мартеновских печах, в атмосферу выделяется: 217 кг углекислого газа от сжигания топлива, 25 кг - от диссоциации известняка, 95 кг - от окисления углерода чугуна, всего - 341 кг.
При производстве проката в качестве топлива для нагревательных печей наиболее часто используют смесь природного и доменного газов. На 1 тонну проката в среднем расходуется 45 кг природного газа (получено делением годового расхода природного газа на вес проката, выпущенного за тот же период на комбинатах им. Ильича и «Азовсталь»), От сгорания природного газа в атмосферу выделяется 125 кг углекислого газа. Углекислый газ, выделяющийся в атмосферу при сгорании доменного газа, как отмечено выше, не учитывался.
При производстве электроэнергии на теплоэлектростанциях металлургических предприятий наиболее часто используют смесь природного и доменного газов. На выработку 1 кВт час электроэнергии расходуется 0,08 кг природного газа, от сгорания которого в атмосферу выделяется 0,22 кг углекислого газа. Углекислый газ, выделяющийся в атмосферу при сгорании доменного газа, также уже учтен.
Таким образом, удельные выбросы углекислого газа в атмосферу по каждому виду продукции, произведенной металлургическим предприятием, составляют: 1 118 кг на 1 тонну извести, 254 кг на 1 тонну агломерата, 2 085 кг - на 1 тонну чугуна, 116 кг - на 1 тонну конвертерной стали, 341 кг на 1 тонну мартеновской стали, 125 кг - на 1 тонну проката, 0,22кг - на 1 кВт час электроэнергии.
Полученные результаты позволяют оценить или прогнозировать загрязнение атмосферного воздуха углекислым газом предприятиями черной металлургии. Так, в 2000 году выбросы углекислого газа в атмосферный воздух Приазовья металлургическими комбинатами г.Мариуполя, рассчитанные с использованием результатов настоящей работы, при производстве произведенной предприятиями основной продукции (извести, агломерата, стали, проката, электроэнергии) составили 21х10б тонн или 0,001% всей массы углекислого газа атмосферы. Даже при отсутствии изменений в процессе поглощения углекислого газа природными системами его концентрация в воздухе в глобальном масштабе в этом случае увеличилась бы на 0,00003 % и имела бы значение, практически не отличающееся от существующей (0,2-0,4 %). Таким образом, отдельное металлургическое предприятие не представляет угрозы, связанной с глобальным загрязнением атмосферного воздуха углекислым газом. Но такая угроза создается мировым металлургическим производством, выбрасывающим за год 0,2 % массы углекислого газа, содержащегося в атмосфере, примерно 7 % общих выбросов углекислого газа техногенных источников. Поэтому уменьшение выбросов углекислого газа в атмосферу должно обеспечиваться на каждом металлургическом предприятии. Огромные выбросы углекислого газа в атмосферу отдельными металлургическими предприятиями должны оказывать влияние на содержание углекислого газа в атмосферном воздухе регионов, в которых они располагаются. Для выявления такого влияния в работе были проведены исследования по определению кон-
центрации углекислого газа в атмосферном воздухе, подверженном загрязнению выбросами металлургических предприятий г. Мариуполя.
Согласно данным работы [6] на расстоянии более 5 км от источников выделения загрязняющих газообразных веществ черной металлургии приземная их концентрация достигает значений, которые при дальнейшем удалении от источников уменьшаются незначительно.
Поэтому пробы воздуха для анализа отбирали на расстоянии примерно 20 км от границы г. Мариуполя в равнинной сельской местности на высоте 1,5 м от поверхности земли в двух местах одновременно с наветренной и заветренной сторон города. Исследования проводились в январе месяце при отсутствии поглощения углекислого газа растениями, скорости восточного ветра около 2 м/с.
Было установлено, что содержание углекислого газа в исследуемом воздухе с наветренной относительно г. Мариуполя стороны составляло 0,033-0,035 % и находится в пределах, характерных для атмосферы Земли (0,02-0,04 %). В то же время концентрация углекислого газа в исследуемом атмосферном воздухе с заветренной стороны от г. Мариуполь, подверженной загрязнению выбросами в основном металлургических предприятий, при удалении от источников на 30 и более километров колебалась в пределах 0,039-0,043 %, что примерно на 21 % больше, чем с подветренной стороны города, и превышает характерные для атмосферы Земли значения. Последствия таких загрязнений воздуха в регионах, в которых находятся металлургические предприятия, подлежат изучению.
Выводы
1. Для предотвращения отрицательных изменений состояния окружающей среды необходимо установить допустимые уровни загрязнения атмосферного воздуха углекислым газом и ограничить интенсивность выбросов важнейшими техногенными источниками, включая предприятия черной металлургии.
2. Обработкой данных по металлургическим предприятиям г.Мариуполя установлено, что на 1 тонну основной продукции выбросы углекислого газа в атмосферу в зависимости от вида продукции находятся в пределах 125-2085 кг.
3. На основе анализа состава атмосферного воздуха установлено, что на значительном расстоянии (30 км и более) от металлургического предприятия содержание углекислого газа с заветренной стороны предприятия на 21 % больше, чем с наветренной, и превышает характерные для атмосферы Земли значения.
Перечень ссылок
1. Дмитриев П.Т., Китросский H.A., Попов В.А. Механизм фотохимического загрязнения атмосферы городов. - В кн.: Международный симпозиум по метеорологическим аспектам загрязнения атмосферы. - М.: Гидрометеоиздат, 1971. - С.295-309
2. Моисеев H.H. Модели экологии и эволюции. - М.: Знание, 1983. - 64 с.
3. Даценко И.И. Воздушная среда и здоровье человека. - Львов.: Вища школа, 1981. - 104 с.
4. Сигал И.Л. Защита воздушного бассейна при сжигании топлива. - Л.: Недра, 1977. - 249 с.
5. Конспект лекцш з курсу "Сколопя та охорона природи"/ М.А. Голубецъ, В.П. Кучерявий, С.А. Генарук та шпп. - К.: НМК ВО, 1990. - 215 с.
6. Охрана окружающей среды от загрязнения предприятиями черной металлургии /А.П. Шиц-кова, Ю.В. Новиков, Н.В.Климкина, P.C. Гилъденскиолъд, В.Н. Шаприцкий. - М.: Металлургия, 1982.-208 с.
Филантропова Вера Алексеевна. Преподаватель индустриального техникума ПГТУ, окончила Ждановский металлургический институт в 1974 году, соискатель ПГТУ. Основное направление научных исследований - защита атмосферного воздуха и воздуха помещений от загрязнений.
Шам Петр Иванович. Канд. техн. наук, доцент кафедры охраны труда и окружающей среды, окончил Ждановский металлургический институт в 1960 году. Основные направления научных исследований - повышение безопасности и улучшение условий труда в промышленности, защита атмосферного воздуха от загрязнений, совершенствование сталеплавильного производства.
Статья поступила 27.02.2001.
