Повышение экологической безопасности технологий свинцово-плавильного производства

Актуальность проблемы. Рост производства и потребления сопровождается загрязнением окружающей среды и отрицательно влияет на природные ресурсы, как на региональном уровне, так и в глобальном масштабе. Природные ресурсы являются источником накопления материальных и культурных ценностей и определяют условия труда и отдыха человека. В настоящее время загрязнения переносятся на все большие расстояния от источника их выделения, в связи с чем, проблеме охраны окружающей среды в развитых индустриальных странах уделяется все большее внимание. В число наиболее опасных компонентов загрязнения окружающей среды входят тяжелые металлы, из которых свинец, ввиду широкого распространения, заслуживает пристального внимания'. Рост производства свинца в мире связан с ростом его потребления в производстве аккумуляторных батарей, пигментов, проката, покрытия кабелей, в сплавах, в производстве присадок к бензину, в химическом машиностроении и для радиационной защиты. Свинец — яд, Действующий на все живое, вызывающий изменения во всех органах и системах человеческого тела. Свинец поступает в организм человека через дыхательные пути в виде пыли и паров, через желудочно-кишечный тракт, попадая в полость рта с грязных рук. Свинец способен накапливаться в организме. Вдыхание свинец. содержащей пыли является наиболее простым путем поступления свинца в организм человека, в виду чего проблема загрязнения им воздушной среды является особенно актуальной.

Природный фон содержания свинца в атмосфере Земли составляет 2−10″ 9.5−10~4 мкг/м3 и формируется за счет поступления свинца в виде пыли почвы, вулканического дыма, морских солевых аэрозолей и метеоритной пыли в количестве 210 тыс. т/год. Антропогенные источники поступления свинца привносят в атмосферу Земли около 380 тыс. т/год, в том числе в результате работы промышленных предприятий поступает 89 тыс. т/год свинца, с выхлоп6 ными газами — до 260 тыс. т/год, в результате сжигания каменного угля — около 30 тыс. т/год свинца. Таким образом, загрязнение атмосферы свинцом, обусловленное работой промышленных предприятий, составляет 24% от загрязнения антропогенными источниками, которое, в свою очередь, превышает естественное поступление свинца в атмосферу в 1,8 раза. В крупных промышленных городах концентрации свинца поднимаются до 40 мкг/м3, что многократно превышает естественный фон. Радиус рассеяния вокруг металлургических предприятий достигает 30.40 км, причем в радиусе 1 .2 км выделяется зона сильного повреждения ландшафта, здесь фон превышается в десятки и сотни раз. Содержание свинца в твердых выбросах металлургического комбината составляет 250.440 мг/кг. В районе завода, выплавляющего свинец, содержание его в.

Л Л о атмосферном воздухе составляет 0,62.0,95 мкг/м", что в 10. 10 раз превышает естественный фон. К вторичным эффектам процессов переноса свинцовых загрязнений из атмосферного воздуха можно отнести накопление его снежным покровом, почвой, водоемами, приносящие зачастую еще больший ущерб, чем первичное загрязнение атмосферы. В виду изложенного, проблема снижения выбросов свинцового производства в атмосферу представляется актуальной.

Получают свинец, в основном, пирометаллургическим способом: черновой свинец (98% РЬ) путем шахтной или кивцетной плавки, особо чистый (99,99% РЬ) — рафинированием. При проведении технологического процесса происходит загрязнение воздушной среды производственных помещений и атмосферы вредными веществами, особенно соединениями свинца, что создает неблагоприятные условия труда и ведет к загрязнению атмосферы. К мероприятиям, направленным на улучшение состояния воздушной среды, относятся совершенствование технологии с целью сокращения выделения вредных веществ, вентиляция, а также мероприятия, сокращающие выбросы загрязнителей в атмосферу. Так как свинцовое производство принято относить к категории горячих це7 хов, общеобменная вентиляция в них осуществляется путем аэрации. В дополнение к ней применяют местные отсосы и местную приточную вентиляцию. Результаты обследования цехов свинцового производства свидетельствуют о недостаточной эффективности вентиляции, несмотря на значительные воздухооб-мены. Так, концентрации свинца в воздухе рабочих зон в десятки раз превышают предельно допустимые. Кроме того, при аэрации загрязненный воздух выбрасывается через фонари без очистки, способствуя поступлению свинца в приземный слой атмосферы промышленных территорий, что ограничивает применение естественного притока. Переход к механической вентиляции требует затрат, связанных с монтажом вентиляционного оборудования, и приводит к увеличению затрат на обработку приточного и очистку удаляемого воздуха. Снижение затрат может быть достигнуто за счет минимизации объемов вентиляционных выбросов, что привело бы к сокращению затрат на очистку выбрасываемого воздуха, экономии производственных площадей и, наконец, повышению экологической безопасности свинцового производства. В этой связи особую актуальность приобретают вопросы более детального учета всех источников, путей и особенностей распространения свинца в воздушной среде производственных помещений и атмосфере с целью разработки мероприятий по рациональной V организации воздухообмена и изыскания возможностей его минимизации.

В настоящее время отсутствуют данные о выделении свинца при его производстве на разных стадиях технологического процесса. Ввиду токсичности свинца (ПДКрз = 0,01 мг/м3) выделение его в воздух в количестве всего 1 мг/с требует для разбавления не менее 360 000'м3/ч свежего воздуха. Поэтому оценка интенсивности выделения свинца является весьма актуальной. Разработке теоретических основ вентиляции помещений с теплогазовыделениями и проблемам охраны атмосферы посвящены работы С. Е. Бутакова, В. М. Эльтермана, В. Н. Тапиева, М. И. Гримитлина, Г. М. Позина, Р. Н. Шумилова, Ю. И. Толстоьой, 8.

В.А. Четкова, Л. К. Энгелья, В. М. Рудмана и др. Однако вопросы прогнозирования концентрации свинца в воздухе рабочих зон и уходящих вентиляционных выбросов не затрагивались.

Исследования проводились по заданию Института Казгипроцветмет для технико-экономического обоснования реконструкции вентиляции плавильного и рафинировочного цехов в связи с переводом свинцового завода Усть-Каменогорского свинцово-цинкового комбината на автогенную технологию в соответствии с х/д НИР № 19−88 от 02 ноября 1988 г. «Разработка решений по вентиляции плавильного цеха УК СЦК к ТЭО перевода свинцового завода на автогенную технологию» и х/д НИР № 27д от 28 мая 1991 г. «Санитарно-гигиеническая оценка условий труда, исследования и разработка решений по вентиляции цеха рафинирования свинцового завода УК СЦК». Проект НИР по рассматриваемой проблеме в 2000 г. включен на конкурсной основе в программу «Научные исследования высшей школы по экологии и рациональному природопользованию».

Цель и задачи исследований. Целью диссертационной работы явилось повышение экологической безопасности свинцового производства путем совершенствования методов организации технологического процесса и вентиляции.

Достижение поставленной цели потребовало решения следующих задач:

• изучение и совершенствование организации технологического процесса;

• разработка методов прогнозирования загрязнения воздуха свинцом;

• снижение загрязнения окружающей среды путем совершенствования вентиляции;

• разработка рекомендаций по повышению экологической безопасности свинцового производства. 9.

Объект исследования: воздушная среда помещений плавильных и рафинировочных производств, а также приземный слой атмосферы промышленной площадки предприятия и жилой застройки.

Предмет исследования: процессы тепломассообмена на границе свинцового расплава и воздухапроцессы переноса свинец содержащих примесей в воздушной среде помещенийпроцессы рассеивания выбросов свинцовой пыли в атмосферном воздухе.

Методы исследований. Решение поставленных задач потребовало проведения экспериментальных исследований в производственных и лабораторных условиях с применением методов физического и математического моделирования.

Научная новизна. На основании положений кинетической теории газов получена зависимость для определения коэффициента диффузии паров металлов в азот с учетом температуры, молекулярной массы металла и размеров его молекул. Получены новые данные об интенсивности испарения свинца на разных стадиях технологического процесса получения и рафинирования свинца.

Разработана математическая модель остывания поверхности расплавов при их транспортировке в ковшах различной емкости, позволившая определить динамику испарения свинца с поверхностей расплавов с учетом нестационарных условий тепломассообмена.

Достоверность полученной аналитической зависимости для определения коэффициента диффузии металла в азот подтверждается удовлетворительной сходимостью расчетных значений с опубликованными экспериментальными данными. Достоверность определения интенсивности выделения свинца от оборудования подтверждается совпадением результатов натурных исследований концентраций свинца в воздухе помещений, проведенных как с участием автора, так и другими исследователями, с концентрациями, полученными в результате реализации математической модели воздухообмена.

Основные научные и практические результаты, полученные лично автором:

• На основании положений кинетической теории газов получена зависимость для определения коэффициента диффузии паров металлов в азот с учетом температуры, молекулярной массы металла и размеров его молекул.

• Разработана математическая модель остывания поверхности расплавов при их транспортировке в ковшах различной емкости, позволившая определить динамику испарения свинца с поверхностей расплавов с учетом нестационарных условий тепломассообмена.

• С использованием метода аналогии процессов теплои массообмена получены новые данные об интенсивности испарения свинца на разных стадиях технологического процесса его получения. На основе натурных исследований получены данные об интенсивности загрязнения воздушной среды свинцом при его рафинировании.

• Количественно и качественно обоснована экологическая опасность свинцового производства, определены валовые поступления свинца в окружающую среду, что позволило определить экономический ущерб от загрязнения окружающей среды.

• Результаты исследований включены в ТЭО реконструкции плавильного цеха УКСЦК в связи с переходом на автогенную технологию. Разработан технологический регламент реконструкции вентиляции рафинировочного цеха УКСЦК, а также рекомендации по повышению экологической безопасности свинцового производства.

Научные положения, выносимые на защиту.

1. Определение интенсивности поступления свинца от оборудования.

2. Определение концентраций свинца в воздушной среде помещений.

3. Определение экологического и экономического ущерба от загрязнения окружающей среды свинцом.

4. Рекомендации по повышению экологической безопасности свинцового производства.

Практическая ценность. Предложена методика определения коэффициента диффузии паров металла с учетом температуры и его молекулярных характеристик. Разработаны предложения по изменению технологического регламента и рекомендаций по расчету и организации воздухообмена. Разработаны методы повышения экологической безопасности свинцового производства, позволяющие обеспечить нормируемые параметры внутреннего воздуха производственных помещений и предотвратить выбросы неочищенного воздуха плавильных и рафинировочных цехов через фонарь, содержащие соответственно 1,14 и 3,3 т свинца в год, формировавшие прирост концентраций свинца в приземном слое Л атмосферы в 0,12 мг/м". Годовой экономический эффект от внедрения предлагаемых решений составит 3,234 млн руб., а предотвращенный ущерб — 6,804 млн руб./ год.

Внедрение результатов исследований. Результаты работы использованы в ТЭО реконструкции свинцового завода Усть-Каменогорского свинцово.

V • цинкового комбината (УК СЦК) институтом Казгипрсцветмет и включены в «Санитарные правила для производства и применения свинца», разрабатываемые НИИ гигиены и профзаболеваний МЗ Казахстана. Результаты исследований внедрены и используются институтами Казгипроцветмет (г. Усть-Каменогорск), ЦНИ1И1 (г. Березовский Свердловской обл.), НИИ охраны труда ВЦСПС (Санкт-Петербург), НИИ морской гигиены (Санкт-Петербург), включены в учебное пособие проф., к.т.н. Р. Н. Шумилова.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на межрегиональной конференции в г. Челябинске в 1990 г., на научно-практических кон.

12 ференциях УПИ в 1988, 1989, 1997 гг., на IV и V съездах Ассоциации инженеров по отоплению, вентиляции, кондиционированию воздуха, теплоснабжению и строительной теплофизики (АВОК) в г. Москве в 1995 г. и 1996 г., на международных конференциях «Научно-практические аспекты управления качеством воздуха» — «Воздух-95» и «Воздух-98» в г. Санкт-Петербурге в 1995 г. и 1998 г., на региональной научно-практической конференции «Актуальные проблемы эколого-географического изучения Урала для целей оптимизации природопользования и регионализации образования» в г. Екатеринбурге в 1997 г., на научно-технических совещаниях при главном инженере Казгипроцветмет в 1990 и 1991 гг., совещаниях при директоре свинцового завода УК СЦК в 1990 и 1991 гг. Результаты работы представлялись на выставку НТО Стройиндустрии 1989 г., где была присуждена Первая премия, а также на всероссийский конкурс на лучшую научную работу студентов по разделу «Охрана труда» и были отмечены почетной грамотой.

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 9 печатных работах общим объемом 3,17 п.л.

Структура и объем работы. Диссертация содержит 117 стр. текста, в том числе 21 таблицу, иллюстрирована 3.0 рисунками и состоит из введения, 5-ти глав, заключения, 6-ти приложений на 30 стр. Список использованных литературных источников включает 115 наименований.

10. Результаты работы использованы институтом Казгипрсцветмет в ТЭО реконструкции свинцового завода УК СЦК в связи с переходом на автогенную технологию и включены в. «Санитарные правила для производства и применения свинца». Проект НИР по рассматриваемой проблеме в 2000 г. -включен на конкурсной основе в программу «Научные исследования высшей школы по экологии и рациональному природопользованию».

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Производство свинца сопровождается интенсивным загрязнением окружающей среды. В результате обследования плавильного и рафинировочного цехов. установлены количественные характеристики и динамика загрязнения воздушной среды свинцом на разных стадиях технологического процесса. Установлено, что применяемые способы снижения загрязнения воздуха с помощью местной и естественной вентиляции не обеспечивают нормируемых параметров воздушной среды.

На основе кинетической теории газов и аналогии процессов тепломассообмена разработана методика расчета коэффициента диффузии свинца в воздух и раскрыты закономерности испарения свинца с поверхности расплавов. Установлена существенная зависимость интенсивности испарения от температуры.

Выявлено, что интенсивным пылеобразованием сопровождается процесс механического разрушения шлаковых корок расплава в котлах. Натурными исследованиями определена интенсивность загрязнения воздушной среды пылью свинца при его рафинировании.

Разработанная математическая модель движения воздушных потоков, позволяющая прогнозировать распределение концентраций свинца в объеме помещения. Для плавильного цеха обоснована возможность минимизации расхода воздуха на вентиляцию за счет снижения поступления свинца при выдержке ковшей под вентилируемыми укрытиями.

Для рафинировочного цеха определено количество приточного воздуха^ необходимого для разбавления загрязнений до ПДК Физическое моделирование различных способов воздухораспределения выявило схему организации движения воздушных потоков и количество приточного воздуха, при котором не происходит разрушения конвективных потоков, переносимых свинцовую пыль от котлов. Минимизация воздухообмена в рафинировочном цехе достигается на основании анализа режима работы котлов, в соответствии с которым вытяжка может осуществляться только над котлами, работающими в интенсивном режиме. Это позволяет раздать приточный воздух без разрушения конвективных потоков от рафинировочных котлов.

Расчетом рассеивания выбросов аэрозолей свинца установлено, что аэра-ционные фонари плавильного и рафинировочного цеха являются источниками загрязнения окружающей среды. Так, максимальный прирост концентрации свинца, наблюдаемый на промышленной территории предприятия, составляет 0,12 мг/м, что выше допустимого значения в 40 раз. Прирост концентрации на прилегающей территории населенного пункта может достигать 0,0033 мг/м5, что выше нормы в 11 раз.

Выявлено, что загрязнение атмосферного воздуха свинцом приводит также к вторичному загрязнению водоемов и почв. Так в результате выпадения осадков в водоемы и почвы только за счет выбросов плавильного и рафинировочного цехов поступает до 4,5 т свинца в год.

Предложены мероприятия, направленные на повышение экологической безопасности свинцового производства: выдержка ковшей с расплавами перед их транспортировкой, позволяющая снизить поток загрязнения воздуха свинцом с 36 до 1 мг/сисключение выбросов неочищенного воздуха через фонариснижение объемов удаляемого воздуха. Разработанные решения позволяют снизить ущерб от загрязнения окружающей среды в 15,7 раза и получить экономической эффект в размере 3,234 млн руб./ год в текущих ценах.