Бесплатный фрагмент - Снижение негативного воздействия на окружающую среду посредством совершенствования систем разделения пылевидных отходов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы.

Технологические процессы производства строительных материалов сопровождаются образованием значительного количества твердых отходов пылевидного состава, содержащих, наряду с исходным сырьем, и посторонние включения. Наличие большого количества примесей в пылевидных отходах препятствует их использованию в производстве, поэтому они направляются на полигоны и несанкционированные свалки, что ведет к негативному воздействию на окружающую среду. Такое положение с пылевидными отходами приводит не только к загрязнению окружающей среды — воздуха, воды, почвы, требующее дополнительных территорий на их захоронение и размещение, но и к расточительному расходованию в большинстве своём невозобновляемых минеральных ресурсов. Наличие пылевидных отходов — результат низкого уровня технологий, позволяющих подготовить их для использования в производстве. Например, при производстве щебня образуется большое количество твердых отходов пылевидного состава (отсевов), содержащие вместе со щебнем и глинистые частицы. Только в Волгоградской области уже накоплено 1,657 млн. т. и ежегодно образуется 159 тыс. т. отходов производства щебня. В таком количестве их не принимают на полигоны, поэтому отсевы щебня направляют в отвалы, в результате чего окружающая среда испытывает негативную нагрузку — происходит загрязнение окружающей среды из-за уноса глинистых частиц, образуются несанкционированные свалки. Например, в Волгоградской области общая площадь только стихийных свалок превышает 400 тыс. кв. метров. Использование отсевов, например, для строительства дорог ограничивается тем, что содержание глинистых частиц в них значительно превышает допустимое значение (3% по массе).

Проблема разделения пылевидных отходов важна не только для промышленности строительных материалов, но и для других производств, в частности, при просеве глиноземных сметок — отходов алюминиевого производства, содержащих глинозем и посторонние включения. Разделение пылевидных отходов позволяет, с одной стороны, снизить количество отходов, сократив тем самым, количество несанкционированных свалок, предотвратить вторичное загрязнение окружающей среды, а с другой стороны -обеспечить экономию минеральных природных ресурсов.

В настоящее время для разделения твердых частиц используются методы магнитной, акустической, электростатической, центробежной и гравитационной сепарации. Из всех известных методов наиболее перспективным представляется метод аэродинамического разделения, что объясняется тем, что он позволяет разделить пылевидные отходы с достаточной эффективностью, является экономичным и простым в аппаратурном оформлении.

Таким образом, является актуальным решение экологической проблемы снижения антропогенного воздействия на окружающую среду пылевидных отходов посредством совершенствования аэродинамической системы их разделения.

Работа выполнялась в соответствии с тематическим планом научно-исследовательских работ Экологического фонда Волгоградской области по комплексной целевой программе развития Волгоградского природоохранного комплекса Администрации Волгоградской области и тематическим планом научно-исследовательских работ Волгоградского государственного технического университета.

Цель работы. Снижение антропогенного воздействия за счет сокращения объема пылевидных отходов, поступающих на полигоны и несанкционированные свалки, посредством совершенствования системы разделения пылевидных отходов.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

— анализ загрязнения окружающей среды отходами, образующимися в технологическом процессе производства щебня и при просеве глиноземных сметок;

— исследование дисперсного состава, основных свойств и токсичности пылевидных загрязнителей окружающей среды;

— теоретический расчет и экспериментальное определение скоростей витания исследуемых пылевидных отходов;

— совершенствование системы разделения пылевидных отходов;

— составление расчетной модели, описывающей движение закрученных потоков в аэродинамических аппаратах разделения и позволяющей получить параметры движения жгута пылевидных отходов;

— экспериментальное исследование параметров закрученного потока пылевидных отходов;

— разработка конструкций горизонтальных и вертикальных аппаратов разделения отходов, схем их компоновки и экспериментальные исследования эффективности разделения пылевидных отходов;

— оценка предотвращенного экологического ущерба после внедрения системы разделения пылевидных отходов.

Основная идея работы состоит в сокращении объема пылевидных отходов, направляемых в отвалы и на полигоны и оказывающих негативное воздействие на окружающую среду, путем повышения эффективности систем разделения при использовании закрученных потоков.

Методы исследования включали: аналитическое обобщение известных научных и технических результатов, математическую обработку экспериментальных данных методами математической статистики и корреляционного анализа с применением ПЭВМ, лабораторные и опытно –промышленные исследования.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обоснована применением классических положений теоретического анализа, моделированием изучаемых процессов, планированием необходимого объема экспериментов, подтверждена удовлетворяющей сходимостью полученных результатов экспериментальных исследований, выполненных в лабораторных и опытно-промышленных условиях.

Научная новизна работы состоит в том, что:

— определены и систематизированы данные о дисперсном составе, основных свойствах и токсичности пылевидных отходов, образующихся в технологическом процессе производства щебня и просева глиноземных сметок;

— разработана система разделения пылевидных отходов, позволяющая сократить их количество, направляемое на полигоны и несанкционированные свалки;

— составлена расчетная модель, описывающая движение закрученного пылегазового потока в аэродинамических аппаратах разделения и позволяющая получить параметры движения жгута пылевидных отходов;

— установлены экспериментальные зависимости, характеризующие эффективность разделения пылевидных отходов по аэродинамическим свойствам.

Практическое значение работы состоит в том, что разработан и внедрен комплекс мероприятий по снижению объема пылевидных отходов:

— проведена оценка предотвращенного экологического ущерба от загрязнения окружающей среды пылевидными отходами после внедрения системы разделения пылевидных отходов;

— разработана и внедрена опытно-промышленная установка для разделения пылевидных отходов, новизна которой подтверждена свидетельством на полезную модель (№21033);

— разработана и внедрена опытно-промышленная установка отвеивания, новизна которой подтверждена свидетельством на полезную модель (№25426);

— разработана принципиальная схема опытно-промышленной установки для разделения пылевидных отходов на фракции, новизна которой подтверждена свидетельством на полезную модель (№22061);

— разработана экспериментальная установка для разделения пылевидных отходов с использованием циклона, новизна которого подтверждена патентом РФ (№2187382);

— определена скорость витания глинистых частиц, отсевов щебня, глинозема и глиноземных сметок;

— разработан ряд типоразмеров горизонтального центробежного разделителя ГЦР и вертикального аппарата отвеивания ВАОТ.

Реализация результатов работы:

— установка разделения отсевов щебня прошла промышленные испытания в АКОТ «Волгоградагропромдорстрой»;

— система отвеивания глиноземных сметок прошла промышленные испытания в ООО «ПТБ ПСО Волгоградгражданстрой»;

— опытно-промышленная установка для разделения пылевидных отходов на фракции принята для использования ООО «Волгоградский НИИ ПКВ» при разработке проектной документации;

— материалы диссертационной работы использованы кафедрой промышленной экологии и безопасности жизнедеятельности ВолгГТУ для студентов специальности 3207 «Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов».

На защиту выносится решение экологической проблемы загрязнения окружающей среды пылевидными отходами:

— оценка предотвращенного экологического ущерба в результате внедрения системы разделения пылевидных отходов;

— аналитические и экспериментальные зависимости, характеризующие эффективность аппаратов разделения пылевидных отходов;

— результаты экспериментальных исследований по определению скоростей витания пылевидных отходов;

— расчетная модель, описывающая движение закрученного пылегазового потока в аэродинамических аппаратах разделения и позволяющая получить параметры движения жгута пылевидных отходов.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и получили одобрение на: научно-технических конференциях «Проблемы охраны производственной и окружающей среды» (Волгоград, 1999; Волгоград, 2000; Волгоград, 2001); ежегодных экологических чтениях Волгоградского отделения Российской экологической академии (Волгоград, 2001); научно-практическом семинаре «Безопасность, экология, энергосбережение» (Гизель- Дере, 2001), Всероссийской научно-практической конференции «Аэрозоли в промышленности и в атмосфере» (Пенза, 2001), ежегодных научно-технических конференциях Волгоградского государственного технического университета и Волгоградской государственной архитектурно-строительной академии.

Публикации. Основные результаты исследований по теме диссертации изложены в 16 работах, в том числе: в 12 статьях, 1 патенте на изобретение и 3 свидетельствах на полезную модель.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Общий объем работы — страниц, в том числе: страниц — основной текст, содержащий таблицы на страницах, рисунка на страницах; список литературы из наименований на страницах,

приложения на страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Загрязнение окружающей среды происходит при добыче, производстве, переработке и хранении порошкообразных материалов в результате технологических процессов, связанных с образованием отходов пылевидного состава. Анализ технологических процессов производства щебня и просева глиноземных сметок позволил определить, что образующиеся пылевидные отходы, содержат, наряду с исходным продуктом и большое количество посторонних включений, исключающие их дальнейшее использование. Поэтому образующиеся в большом количестве отсевы щебня и глиноземные сметки направляются в отвалы и на полигоны. Таким образом, отсутствие технологии разделения пылевидных отходов приводит к тому, что значительные площади земель отчуждаются под несанкционированные свалки, происходит загрязнение атмосферы из-за уноса пыли при хранении пылевидных отходов, а значит, окружающая среда подвергается негативному воздействию.

Воздействие на окружающую среду зависит от состава и свойств загрязнителей, поэтому в работе были рассмотрены дисперсный состав, основные свойства и токсичность пылевидных отходов. Проведенные исследования дисперсного состава отсевов щебня и анализы на определение содержания глинистых частиц в них, проведенные по стандартным методикам, показали, что содержание глинистых частиц, размер которых менее 140 мкм, составляет 40 {}. Несмотря на то, что отсевы щебня и глиноземные сметки относятся к 4 классу опасности, их токсичность для окружающей среды и человека обусловлена содержанием мелкодисперсной фракции. При значительном содержании мелкой фракции пыли в отходах, длительно хранящихся на несанкционированных свалках, происходит ее унос и вторичное загрязнение атмосферы. Известно, что длительное воздействие пыли отрицательно влияет на организм человека, что выражается в развитии пневмокониозов, силикозов (при воздействии пыли глинозема) и др. заболеваниях.

Для снижения антропогенного воздействия на окружающую среду и сохранения минеральных ресурсов необходимо снизить количество образующихся пылевидных отходов посредством совершенствования системы их разделения. В настоящее время для отделения твердых частиц применяются различные методы сепарации, в том числе магнитная, акустическая, электростатическая сепарация, разделение под действием гравитационных сил, центробежных сил, а также разделение по аэродинамическим свойствам пыли. В данной работе рассматриваются только сухие методы, поскольку применение мокрых методов сепарации делает невозможным или слишком сложным и дорогостоящим использование отделенных компонентов в производстве и промышленности строительных материалов. Из всех известных методов наиболее перспективным представляется метод аэродинамического разделения, что объясняется тем, что он позволяет разделить пылевидные отходы с достаточной эффективностью, является экономичным и простым в аппаратурном оформлении. При сепарации происходит разделение частиц по плотности и крупности, при этом особую сложность представляет разделение неоднородных и полиминеральных дисперсных систем. Это связано с минеральным и дисперсным составами и свойствами материалов, режимами технологического процесса аэродинамического сепарирования и конструктивными особенностями сепараторов. Проблемами разделения сыпучих материалов занимались Лященко В. П., Бокштейн С. Я., Барский Л. А., Барский М. Д., Мизонов В. Е., Сиденко П. М., Кулиш С.М, Мищенко А. С., Миронов А. В. и ряд других исследователей.

В основе сепарации сыпучих материалов по аэродинамическим свойствам лежит скорость витания. Исследованиями скоростей витания занимались Лященко В. П., Вавакин Т. С., Клячко Л. С., Дзядзио А. М., Успенский В. А., Урбан Я., Разумов И. М., Лобаев Б. Н., Грушко В. М., Страхович К. И., Дмитрук В. А., Володин Н. П. и др. По результатам теоретических исследований построены графики зависимостей скоростей витания от диаметра глинистых частиц, отсевов щебня, глинозема и глиноземных сметок (рис. 1а,б,в,г). Анализ зависимостей скоростей витания от диаметра частиц показывает, что для отсевов щебня и глиноземных сметок (рис. 1 а, б) в близком диапазоне лежат кривые (2—8, 11—13), для глинозема и глинистых частиц — кривые (1—7, 11—13). Аналитические методы расчета не позволяют с большой точностью определить скорость витания для данного конкретного материала. Наиболее точные –это экспериментальные методы. Они учитывает коэффициент формы, плотность материала. Поэтому для определения скорости витания конкретного сыпучего материала целесообразно проводить отдельные экспериментальные исследования.

Определение скоростей витания пылевидных отходов проводилось на разработанной установке, включающей вертикальный аппарат отвеивания с шиберами для отсечки витающих частиц, вихревой инерционный пылеуловитель, вентилятор. Эксперименты проводились методом отсечки витающих в цилиндрическом участке частиц исследуемого материала с последующим определением их количества и анализом дисперсного состава при известной среднерасходовой скорости движения воздуха. На рис. 1 (а, б) нанесены точки экспериментальных исследований по определению скоростей витания.

Сравнение полученных экспериментальных данных с теоретическими показывает, что экспериментальные зависимости для глиноземных сметок (рис. 1а) удовлетворяют расчетам по зависимости Гастерштадта (кривая 7), экспериментальные данные для отсевов щебня (рис. 1б) удовлетворительно описываются зависимостью Дмитрука (кривая 5).

Экспериментальные данные скоростей витания для глинозема (рис. 1в) удовлетворительно описываются формулой Успенского (кривая 8), для глинистых частиц (рис. 1г) –зависимостью Страховича (кривая 9).

а) б)