Разработка технологии утилизации твердых отходов металлургического производства – часть 1

Металлургия      Постоянная ссылка | Все категории

УДК 577.4:517.9+504.064+666.913 На правах рукописи

БОРАНКУЛОВА ГАУХАР САРСЕНБАЕВНА

Разработка технологии утилизации твердых отходов

металлургического производства

25.00.36 – Геоэкология

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Республика Казахстан

Тараз, 2010

Работа выполнена в Таразском государственном университете имени М. Х. Дулати.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор,

Сагындыков А. А.

Официальные оппоненты: доктор технических наук

Бекбаев Р. К.;

кандидат технических наук

Жаскиленова А. Е.

Ведущая организация: Институт горного дела им. Д. А. Кунаева.

Защита диссертации состоится «_____» _________________ 2010 г. в _____ ч. на заседании диссертационного совета Д 14.03.02 в зале заседаний Ученого совета Таразского государственного университета им. М. Х. Дулати по адресу: 080000, г. Тараз, ул. Толе би, 60.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Таразского государственного университета им. М. Х. Дулати.

Автореферат разослан «_____» _________________ 2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Сахы М.


Введение

Общая характеристика работы. В работе рассмотрены экологические и физико-механические характеристики отходов Таразского металлургического завода (ТМЗ), выявлены условия образования доменного шлака, шлака ферросиликомарганца, отходов вскрышной технологии, отходов литейного производства, шламы обогащения марганцевых руд и железных руд, угольной, коксовой, антрацитовой мелочи. Дана оценка воздействия ТМЗ на окружающую среду, определены категория опасности и предельно-допустимые выбросы. Приведена модель распространения неорганической пыли в зависимости от скорости ветра, оседания частиц, загрязнения почвы тяжелыми металлами в снеговом покрове. Разработана технология утилизации твердых отходов, путем получения на их основе строительных материалов: портландцемента, шлакопортландцемента, шлакощелочных вяжущих, бетонов. Определены экологический ущерб от воздействий отходов и эколого-экономическая эффективность разработанных технологий.

Актуальность работы. Черная и цветная металлургия является одним из крупнотоннажных производителей отходов, в числе которых отходы добыч, обогащения рудного сырья и флюсовых материалов, шлаки, шламы, пыли. По экспертным оценкам удельный выход твердых, газообразных и жидких отходов на 1 т готовой продукции в целом по Казахстану составляют: вскрышные и вмешивающие породы – 1500-2500 кг; шлаки – 500-1000 кг, шламы – 120-150 кг; сухая пыль – 80-120 кг; окалина – 30-40 кг, сточные воды – 250-300 м3, аспирационный воздух – 30-50 тыс. м3, горючие газы – 2000-2500 м3.

В настоящее время в ТМЗ ежегодно образуется около 200 тыс. тонн отходов, складирование которых приводит к отчуждению больших площадей сельскохозяйственных земель, создает угрозу их засоления, повышения степени минерализации подземных вод прилегающих территорий и ухудшения гидрохимического режима близ расположенных водоемов.

Поэтому оценка экологического воздействия ТМЗ на окружающую среду и разработка научно-обоснованной технологии рациональной их переработки с получением вяжущих материалов, бетонов, керамических материалов на их основе является актуальной проблемой.

Работа выполнена в соответствии с госбюджетным планом научно-исследова-тельских работ кафедры «Архитектура и строительство» Таразского государственного университета им. М. Х. Дулати.

Цель диссертационной работы состоит в экологической оценке влияния Таразского металлургического завода на окружающую среду (ОС) и разработке технологии утилизации твердых отходов Таразского металлургического завода.

Для достижения поставленной цели определены основные задачи:

- изучение и оценка вредного воздействия ТМЗ на окружающую среду;

- исследование экологических и физико-механических характеристик отходов ТМЗ;

- разработка технологии переработки доменных, сталеплавильных шлаков, отработанных формовочных песков в портландцемент, шлакопортландцемент, шлакощелочные вяжущие, высокопрочные бетоны;

- разработка составов и технологии тяжелых бетонов, керамического кирпича на основе отвальных шлаков, угольной, антрацитовой, коксовой мелочи, отработанных формовочных песков;

- разработка комплексной системы управления отходами и эколого-экономи-ческая оценка эффективности технологии утилизации.

Основная идея работы заключается в определении содержания тяжелых металлов в отходах ТМЗ с помощью современных методов физико-химического анализа и разработки технологии получения из них вяжущих, бетонов, керамического кирпича.

Научная новизна работы:

- построена математическая модель переноса пыли с учетом турбулентной диффузии, скорости ветра, гравитационного оседания частиц;

- установлена степень загрязнения твердой и водной фазы снегового покрова тяжелыми металлами марганца, свинца, цинка, меди, кадмия;

- выявлены особенности структурообразования, физико-механические свойства портландцементного клинкера, шлакощелочных цементов, шлакопортландцемента, керамических строительных материалов, полученных с использованием отходов ТМЗ.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

- результаты модельных, экспериментальных исследований по распространению загрязняющих веществ в атмосфере, почве, возникающих в результате деятельности ТМЗ;

- технология получения портландцементного клинкера, шлакопортландцемента, шлакощелочных вяжущих, бетонов, керамического кирпича из отходов металлургического производства.

Объекты и методы исследования. Объект исследования: производственные цеха ТМЗ и его твердые отходы: доменный шлак, шлак ферросиликомарганца, отходы вскрышной технологии, отходы литейного производства, шлам обогащения марганцевых руд, шлам обогащения железных руд, угольная, коксовая, антрацитовая мелочь. Методы исследований: ионная хромотография, атомно-эмиссионная спектроскопия, инфракрасно-спектральный, рентгенофазовый и дифференциально-термический анализ.

Практическая ценность и реализация результатов работы:

- произведена оценка влияния ТМЗ на ОС и определены величины предельно допустимых выбросов и категория опасности предприятия;

- разработана технология получения цементов марок М-300, М-400, М-500 на основе доменного шлака, шлама обогащения, отработанных формовочных смесей;

- разработаны составы высокопрочных бетонов, керамического кирпича, керамзита на основе отвальных шлаков, угольной, коксовой, антрацитовой мелочи;

- проведена эколого-экономическая оценка ущерба наносимого отвалами отходов на окружающую среду и разработана модель управления отвалами.

Технология получения вяжущих прошла опытно-промышленные испытания в ТОО «АХЕМ INVESTMENT». Экономический эффект при объеме производства 200 тыс. тонн составляет 99100000 тг.

Личный вклад автора. Вклад автора состоит в непосредственном определении содержания вредных веществ в атмосфере, воде, почве, и определении их влияния на окружающую среду, разработке математических моделей рассеивания пыли в атмосфере, разработке технологии получения вяжущих, портландцементного клинкера, шлакопортландцемента, шлакощелочных вяжущих, керамического кирпича на основе промышленных отходов Таразского металлургического завода.

Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на: Международных научно-практических конференциях «Инновационные технологии в совершенствовании подготовки инженерных и научных вкладов» (Тараз, 2006) и «Обеспечение экологической безопасности – путь к устойчивому развитию Казахстана» (Тараз, 2010); III Международной научной конференции молодых ученых «Инновационное развитие и востребованность науки в современном Казахстане» при фонде Первого Президента Республики Казахстан совета молодых ученых (Алматы, 2009).

Обоснованность и достоверность научной работы, выводы и рекомендации подтверждаются:

- применением комплекса современных приборов физико-химического анализа;

- положительными результатами опытно-промышленной апробации разработанной технологии утилизации промышленных отходов ТМЗ.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 11 научных трудов, из них 4 статьи в научных журналах, рекомендованных Комитетом по контролю в сфере образования и науки РК, и 6 в сборниках трудов Международных научно-практических конференций, получено положительное заключение о выдаче инновационного патента РК на изобретение №2009/1464.1.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения, список использованных источников из 120 наименований, приложений. Работа изложена на 122 страницах компьютерного текста, включает 35 рисунков и 34 таблицы.

Основная часть

Введение содержит обоснование актуальности разработки технологических основ переработки твердых отходов Таразского металлургического завода на окружающую среду, определение цели и задач работы, приводится научная новизна работы и практическая ценность полученных результатов, сформулированы основные положения выносимые на защиту.

1 Оценка вредного воздействия Таразского металлургического завода на окружающую среду

В разделе проведен анализ производственной деятельности и технологических процессов, как источника загрязнения окружающей среды. Результаты анализа и обработки проб воздуха, отобранных на стационарных постах наблюдений, свидетельствуют о том, что рассмотренный объект Таразский металлургический завод относится к предприятию 2 класса опасности (КОП=15675,2) с превышением ПДК по нескольким загрязняющим веществам, которые позволяют отнести предприятие к критическому уровню экологического риска и требуют проведения природоохранных работ. Выявлено 24 загрязняющих вещества, выбрасываемых в атмосферу, основными из которых являются бензапирен, пыль неорганическая, оксиды азота, углерода, серы, железа, углеродные соединения, аммиак. Условная загрязняющая масса их составляет 18236,42 тонн.

Проведено компьютерное моделирование для оценки величины ветрового переноса загрязнений. Для реализации модели использован алгоритм решения дифференциального уравнения методом расщепления по физическим процессам, изложенным в работах Г. И. Марчука. Для численного решения дифференциального уравнения была использована интегрированная система символьной математики MathCad фирмы MathSoft Inc. Рассмотрено дифференциальное уравнение переноса i-ой примеси в частных производных:

(1)

где: qi – концентрация i-ой примеси, i=1; u,v,w – компоненты вектора скорости по осям 0x,0y,0z, соответственно; tвремя; wi скорость гравитационного оседания i-ой примеси; kкоэффициент турбулентной вязкости атмосферы по горизонтали (константа); v(z) –коэффициент турбулентной вязкости атмосферы по вертикали; Рiчлен, учитывающий вымывание осадками i-ой примеси; Siчлен, описывающий источники выброса i-ой примеси в атмосферу.

Результаты численных расчетов, приведенных на рисунке 1, показывают уровни концентрации пыли в зависимости от времени начала выброса. Выдавались 4 линии уровня загрязнений (в мг/м3): 0,6, …, 1,2; 1,8; 2,4. Центр выброса располагался в зоне ТМЗ при пересечении вертикальной и горизонтальной линии координат (х=5 км). При расчете высота менялась от нуля до 120 м, а его направление оставалось постоянным. Полученная в модели величина эмиссии пыли интерполировалась из узлов мелкой сетки в узлы крупной сетки 20×20 км (размер ячейки 1 км) и использовалась при расчете переноса пыли.

Рисунок 1 – Распределение концентрации пыли при скорости ветра 5 м/с

Как видно, зона повышенной концентрации пыли растягивается до 20 км и превышает ПДК в точке выброса.

На рисунке 1 изображены поля загрязнений, возникающих в результате переноса пыли. Они распространяются на большие расстояния и охватывают поселки Шайкорык, Бурыл, Абай. Определены баланс загрязнения, средняя концентрация (по периметру, на разных высотах, в зависимости от скорости и направлении ветра).

Балансовая оценка выполнялась, в соответствии с законом сохранения массы вещества, по формуле:

(2)

где: h – текущая высота над поверхностью земли; S – элемент площади; Ci – концентрация ЗВ, скорость ветра; cos (U, S) – cos угла между вектором ветра и элементом площади; Qi – скорость образования i-го ЗВ на территории ТМЗ.

По данным измерений наветренной и подветренной стороны Таразского металлургического завода представлены средние концентрации переноса химических компонентов

Установлено, что в период измерений, в основном, выносились кальций, сернистый ангидрид, также отмечается перенос алюминия, железа, кремния. Обычно эти элементы входят в состав грубодисперсных частиц, которые имеют высокую скорость седиментации. Поэтому вероятнее всего, впоследствии, они осели на поверхность земли.

Соотношение переносимой массы иона SO и газообразного SO2 находилось в пропорции 1:15. Это свидетельствует о том, что выбрасываемый предприятием SO2 не успевает конденсироваться или вступать в реакции непосредственно в атмосфере и выносится в ОС в изначальном виде.

Проведен мониторинг загрязнения снегового покрова металлами-экотоксикон-тами техногенного происхождения ТМЗ. По среднестатистическим данным, на подстилающую поверхность за зимний период пыли на каждый м2 поступает в зоне действия завода – от 1,5 до 10 г в радиусе 1 км на фоновых станциях от 0,05 до 0,4 г. Твердая фаза снегового покрова по данным рентгеноспектрального электронно-зондового микроанализа представляет собой сложную смесь минеральных частиц (сферической, округлой и правильно ограненной формы) размерами от 1 до 300 мкм. В твердой фазе хорошо выражена природная составляющая (полевые шпаты, кварц, алюмосиликаты, кальцит). Сажистая фаза (соединения углерода, карбонаты, карбиды и сульфиды металлов), обусловленная потоками техногенной природы, преобладает в зонах высокой антропогенно-экологической нагрузки. В твердой фазе снега отмечены повышенные содержания (мкг/г) металлов: Mn до 400, Pb до 200, Zn до 20, Cu до 200, Cd до 8. Водная фаза снегового покрова представлена низкоминерализованными водами гидрокарбонатно-сульфатного и сульфатно-гидрокарбонатного кальций-магнивого состава с примесью хлора. Также встречаются вода фторидного и фосфатного состава на формирование которого влияют отвалы фосфатных шлаков.

Содержание микроэлементов в снеговой воде (в мкг/л) находились, независимо от года пробоотбора в следующих пределах: Pb от 0,5 до 1,2; Zn от 30 до 190; Cu – от 0,5 до 8; Cd – от 0,05 до 1,5; Mn – от 40 до 240. Эти значения превышают фоновый уровень в 2-18 раз. Суммарные уровни накопления Mn, Pb, Zn, Cu, Cd за 2008-2009-2010 г. в твердой и водной фазах снега за весь период исследований показаны на рисунке 2.

а) б)

Рисунок 2 – Уровни накопления тяжелых металлов

в твердой фазе (а) и снеговой воде (б)

Уровни накопления тяжелых металлов в твердой фазе и снеговой воде с каждым годом увеличиваются в связи с постепенным наращиванием объемов промышленного производства: ферромарганца и изделий из стали.

2 Экологическая характеристика отходов Таразского металлургического завода и методы исследования

В разделе диссертации дана детальная оценка экологическим характеристикам: радиоактивности, канцерогенности, растворимости, а также определены их структурные особенности и физико-механические свойства.

Содержание естественных радионуклидов (ЕРН) в твердых отходах характеризуется большим разбросом показателей по эффективной удельной активности. Повышенной (>370 Бк/кг) эффективной удельной активностью отличаются вскрышные породы, хвосты обогащения. Шлаки характеризуются меньшей эффективной удельной активностью ЕРН. Содержание химических элементов в твердых отходах металлургического производства приведено в таблице 1.

Таблица 1 – Содержание тяжелых металлов, мг/кг

Обозначение элементов

ПДК

Доменный

шлак

Стале-

плавильный шлак

Отработанные

формовочные

смеси

Минеральный шлам

Хвосты

обогащения

min

max

min

max

min

max

min

max

min

max

Pb

32

400

1200

336

972

15,5

21,4

48

932

354

1123

Cr

6

98

202

74

162

2,4

7,2

-

-

83

184

Co

5

22

128

14

112

1,4

2,8

0,82

4,3

18

119

Ni

35

95

172

68

152

1,1

1,8

24

36

84

166

Zn

23

350

1180

254

878

-

-

12

48

318

920

Cu

23

520

1340

315

1128

4,1

12,4

24

426

480

1260

As

2

14

18

10

12

-

-

1,2

1,5

12

14

С применением инфракрасно-спектрального, рентгенофазового и дифференци-ально-термического анализа определен фазовый состав доменного шлака, сталеплавильного шлака, отработанных формовочных смесей, минерального шлама, хвостов обогащения, которые содержат в своем составе оксиды алюминия, кремния, кальция и железа, то есть все необходимые компоненты для производства вяжущих.

С целью определения пригодности отходов с экологической позиции был проведен анализ на содержание радиоактивных элементов: радия – 226, тория – 232 и калия – 40 (таблица 2).

Таблица 2 – Содержание радиоактивных веществ в отходах Таразского металлургического завода

п/п

Наименование пробы

Ra – 226

Th 232

K – 40

Aэфф

1.

Доменный шлак

122

134

114

122

112

124

132

206

2.

Сталеплавильный шлак

122

134

110

127

106

121

124

198

3.

Отработанные формовочные смеси

42

61

45

67

43

64

46,4

60,9

4.

Минеральный шлам

41

44

44

76

42

74

52

78

5.

Хвосты обогащения

142

174

134

166

128

162

152

214

Примечание В числителе даны минимальные значения, в знаменателе – максимальные.

Наряду с химическими загрязнителями в отходах металлургического комплекса представлены и радиационные – естественные радионуклиды, которые содержат в своем составе элементы, принадлежащие семействам радия – 226, тория – 232 и калия –40. Содержание естественных радионуклидов по эффективной удельной активности не превышает нормативов для первого класса радиационной опасности.

3 Технологические решения, направленные на снижение экологической нагрузки от накопителей отходов

В разделе диссертации приведены результаты исследований по использованию доменного шлака, сталеплавильного шлака, шламов обогащения, отработанных формовочных песков для получения цементного клинкера, шлакопортландцемента, шлакощелочных вяжущих.

При синтезе цементного клинкера из доменного шлака, шлама обогащения и известняка, смеси обжигали при 1200-1400˚С в течение 10-60 мин. и исследовали процесс клинкерообразования методом рентгенофазового анализа. В результате выявлены температурные области максимального образования алита и белита. В процессе обжига сырьевой смеси тяжелые металлы связываются с оксидами кремния, алюминия с образованием силикатов свинца, марганца, кадмия, цинка, меди, алюминатов, твердых растворов, стекловидных веществ, а в процессе гидратации они участвуют в образовании гидросиликатов, алюмоферритов кальция.

Металлургия      Постоянная ссылка | Все категории
Мы в соцсетях:




Архивы pandia.ru
Алфавит: АБВГДЕЗИКЛМНОПРСТУФЦЧШЭ Я

Новости и разделы


Авто
История · Термины
Бытовая техника
Климатическая · Кухонная
Бизнес и финансы
Инвестиции · Недвижимость
Все для дома и дачи
Дача, сад, огород · Интерьер · Кулинария
Дети
Беременность · Прочие материалы
Животные и растения
Компьютеры
Интернет · IP-телефония · Webmasters
Красота и здоровье
Народные рецепты
Новости и события
Общество · Политика · Финансы
Образование и науки
Право · Математика · Экономика
Техника и технологии
Авиация · Военное дело · Металлургия
Производство и промышленность
Cвязь · Машиностроение · Транспорт
Страны мира
Азия · Америка · Африка · Европа
Религия и духовные практики
Секты · Сонники
Словари и справочники
Бизнес · БСЕ · Этимологические · Языковые
Строительство и ремонт
Материалы · Ремонт · Сантехника