Обоснование эколого-технологических положений системы обращения с отходами производства горно-промышленного региона (20.04.2009)

Автор: Рябов Геннадий Гаврилович

Процесс выделения i-го газа в помещение можно описать так:

, ?i – кинетические коэффициенты диффузионного массообмена в строительном материале; qi  – источник образования газов в результате возможных химических реакций.

Решение краевой задачи (13) – (14) имеет вид:

Объем i-го газа Iуд.i, поступающего в помещение из слоя материала через единичную площадь поверхности его контакта с воздухом, определяется по формуле

, (20)

где m – пористость материала, из которого происходит выделение i-й газовой примеси.

Анализ результатов вычислительного эксперимента свидетельствует о том, что теоретическая динамика поля концентраций i-го газа в слое пористого сорбирующего материала может быть представлена в виде монотонно убывающих кривых, стремящихся с течением времени к стационарному распределению. Закономерности динамики поглощения кислорода и газовыделений являются базовыми соотношениями для решения задач воздухообмена в помещении.

Для практических целей разработаны методические положения расчета воздухообмена по факторам поглощения кислорода и газовыделения из пористых строительных материалов, полученных из отходов горного производства.

Математические модели воздухообмена, определяемого по различным факторам, имеют вид:

- по фактору поглощения кислорода

- по фактору выделения газов

- кратность воздухообмена по i-му газу, выделяющемуся в помещение; a, b – коэффициенты аппроксимации.

Вычислительные эксперименты позволили получить следующие формулы для расчета количества приточного воздуха в помещения, стены которых отделаны материалами, полученными из отходов горного производства в сочетании с отходами других отраслей промышленности:

- расчету воздухообмена по кислороду

- расчету воздухообмена по i-му газу

- длительность химических реакций.

Рис. 10. Системный подход к разработке проектов обращения

с отходами производства с учетом задач устойчивого

развития горнопромышленного региона

Моделирование различных экологических ситуаций, возможных при использовании материалов, полученных из отходов горного производства, показало, что расчетные кратности воздухообмена по фактору поглощения кислорода изменяются от 1,47 до 5,14, по фактору выделения токсичных примесей от 1,48 до 4,07 в зависимости от типа помещений. В среднем эти значения превышают нормативные кратности воздухообмена по притоку на 28 – 70 %.

Обобщение результатов выполненных исследований по утилизации отходов производства на территории горнопромышленного региона показали, что основной проблемой экологически рационального управления горными предприятиями, высокочувствительными к инновациям, являются технологии использования вторичных ресурсов. Существенно возрастает значимость рационального выбора стратегии обращения с промышленными отходами, ориентированной на преодоление технологических разрывов в различных отраслях промышленности горнопромышленного региона. Это свидетельствует о существовании значимой внутренней обратной связи между управлением процессами технологических и организационных изменений в региональной системе обращения с отходами производства. Отсюда следует вывод о введении экологических критериев, определяющих экономическое преимущество в конкурентной борьбе. Практика использования разработанных технологий по утилизации отходов горной промышленности показала, что экологическая эффективность горного предприятия во многом зависит от способности к адаптации и изменениям внешней среды. При этом концептуальная установка по реструктуризации горного предприятия как деятельности геоэкологического характера, позволяет реализовать системный подход к разработке проектов обращения с отходами производства на любом уровне управления горнопромышленным регионом (рис. 10).

Основные научные и практические результаты диссертационной работы внедрены на горных предприятиях Тульской области и использованы природоохранительными службами администрации Тульской области на основе технических условий (ТУ 113-03-26-19-89 «Камни стеновые», ТУ 38.303-25-14-89 «Блоки каменные», ТУ 113-03-26-20-90 «Черепица цементно-песчаная», ТУ 65.05-51-89 «Блоки из бетона на шлакощелочном вяжущем для стен подвала» и др.), технологических регламентов (Технологический регламент на производство камней бетонных стеновых СКЦ-1М 1991 г., Технологический регламент на производство ЧЦМ-1 1991 г. и др.), рекомендаций (Рекомендации по оптимальным составам стеновых полнотелых блоков марок 35-50 1990 г., Рекомендации норм расхода компонентов сырьевой смеси камней бетонных стеновых 1991 г. и др.) на производство материалов из отходов горной промышленности и отходов других отраслей промышленности. Теоретические результаты и технические решения включены в учебные курсы по охране окружающей среды и рациональному использованию природных ресурсов для студентов, обучающихся по направлению «Горное дело», а также использованы при выполнении договорных и госбюджетных НИР в Тульском государственном университете.

Заключение

На основании выполненных экспериментальных и теоретических исследований установлены новые и уточнены существующие закономерности использования отходов производства на территориях горнопромышленных регионов для разработки эколого-технологических положений системы комплексного обращения с промышленными отходами, позволяющие снизить техногенную нагрузку на окружающую среду и обеспечить рациональное использование вторичных минеральных ресурсов, что имеет важное значение для горной промышленности и экономики России.

Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем.

основной проблемой экологически рационального управления горными предприятиями, высокочувствительными к инновациям, являются технологии использования вторичных ресурсов, поэтому существенно возрастает значимость рационального выбора стратегии обращения с промышленными отходами, ориентированной на преодоление технологических разрывов в различных отраслях промышленности горнопромышленного региона. Это свидетельствует о существовании значимой внутренней обратной связи между управлением процессами технологических и организационных изменений в региональной системе обращения с отходами производства.

Региональная система природопользования представляет собой открытую эколого-технологическую систему, где техногенная деятельность, связанная с использованием минеральных ресурсов, изменяет состояние геоэкологической системы, что, в свою очередь, нарушает рекреационные способности природы, поэтому экологически рациональные технологии производства материалов из промышленных отходов на территории горнопромышленного региона позволяют в целом улучшить экологическое состояние этих территорий.

Практика показывает, что в современных экономических условиях одним из наиболее приоритетных направлений использования производственных отходов в горнопромышленных регионах является разработка научно обоснованных технологических регламентов по переработке отходов горной промышленности в различные строительные материалы и изделия.

Установлено, что удельная активность отходов ТЭС, горно-метал-лургических и химико-технологических предприятий Тульской области, которые могут использоваться для производства строительных материалов, является случайной величиной, для которой приемлема гипотеза о нормальном законе распределения, а зафиксированные значения изменяются от 101 до 713 Бк/кг, при этом оценка математического ожидания составляет 305,1 Бк/кг.

Выявлены характерные особенности динамики образования отходов горно-металлургических, химико-технологических, теплоэнергетических предприятий и доказано, что распределение средних значений физико-химических и технологических свойств отходов при их складировании на поверхности Земли изменяется за время хранения до некоторого фиксированного значения, а далее материал может терять свои потребительские качества, что формально выражается значением функции плотности распределения этих свойств, стремящейся к нулю.

Установлено, что одним из наиболее существенных отличий горнопромышленных отходов от традиционного сырья для производства строительных материалов является высокая степень изменчивости их химического и минерального состава, физико-химических и технологических свойств, а другим отличием является присутствие в составе промышленных отходов минералов и элементов примесей, не характерных для традиционного минерального сырья.

Оптимизация процесса переработки отходов горнопромышленного региона может быть формально сведена к задаче математического программирования, которую с практической точки зрения целесообразно свести к задаче линейного программирования.

Результаты теоретического анализа и данные вычислительного эксперимента свидетельствуют о том, что детерминированная математическая модель стационарного процесса образования и локализации газообразных, жидких и твердых отходов, ограниченного конкуренцией за материальный ресурс, имеет достаточно высокий уровень адекватности (корреляционное отношение для пылегазовых выбросов на территории Тульской области более 0,9).

Взаимодействие газов с веществом бетона из отходов горных предприятий в процессе ократирования происходит за счет проникновения газов в пористую структуру бетона и диффузионного переноса газовых молекул в микропорах и по внутренним поверхностям твердого скелета. При этом для значений коэффициента эффективной диффузии 10-7 – 10-6 м2/с и отношения начальной скорости сорбции газов веществом бетона к константе Генри 10-4– 5·10-2 1/с нестационарные одномерные поля концентраций и диффузионные потоки газов, используемых при ократировании, представляют собой монотонно убывающие функции, которые стремятся к некоторому асимптотическому значению.

Обоснованным и целесообразным является использование методов интегральной газовой динамики для расчета валовых выбросов газов ократирования в атмосферу. Адекватность полученных результатов подтверждается положительными результатами внедрения и промышленной апробации на предприятиях стройиндустрии горнопромышленного комплекса Тульской области.

Нестационарные одномерные поля концентрации кислорода, проникающего в пористую структуру строительного материала, и концентраций газов, образующихся в данной пористой среде, описываются уравнениями в частных производных параболического типа со стоком, пропорциональным концентрации кислорода в твердой фазе.

Разработаны технологические принципы использования горнопромышленных отходов в малоотходных технологиях производства строительных материалов с применением целенаправленного синтеза из двух или нескольких легкосмешивающихся отходов в результате самопроизвольного химического процесса, протекающего между компонентами отходов, в результате чего можно образовать нетоксичный конечный продукт, играющий роль ценной добавки или сырья для производства строительных материалов.

Разработаны ресурсосберегающие, малоотходные технологические регламенты получения строительных материалов на основе отходов горной промышленности Тульской области и проведены промышленные внедрения разработанных строительных материалов на предприятиях города Тулы и Тульской области, доказана их эколого-экономическая эффективность.

Список основных публикаций по теме диссертации

1. Научные статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:


загрузка...