Содержание к диссертации
Введение
1. Аналитический обзор и постановка задач исследований 15
1.1. Экологическая характеристика России и систем обращения с отходами 15
1.2. Система обращения с отходами 19
1.3. Методы теоретического анализа эффективности обращения с отходами 30
1.4. Системные принципы в практике природопользования 33
1.5. Системные свойства минерально-сырьевых ресурсов 36
1.6. Информационные аспекты территориальной системы использования минерально-сырьевых ресурсов 38
1.7. Экологически рациональная стратегия природопользования 39
1.8. Управление запасами и качеством минеральных ресурсов 41
1.9. Нормативно-правовая база, регламентирующая использование отходов производства в качестве строительных материалов или их сырья 42
1.10.Физико-химические процессы взаимодействия газов с твердой фазой при их фильтрационном и диффузионном переносе 47
Выводы 52
Цель работы, идея и задачи исследований 54
2. База данных тульской области о состоянии минерально-сырьевых ресурсов природного и техногенного происхождения 56
2.1. Природно-географическая характеристика Тульской области 56
2.2. Инженерно-геологические условия Тульской области 62
2.3.. Техногенные объекты и комплексы Тульской области 64
2.4. Горнодобывающий комплекс Тульской области 64
2.5. Вещественный состав отходов производства, используемых для производства строительных материалов 73
2.6. Радиологическая характеристика отходов, используемых в строительных материалах 77
2.7. Оценка структуры и термодинамический анализ вещества строительных материалов из отходов производства 86
2.8. Динамика распределения физико-химических свойств отходов на полигонах и в отвалах 94
Выводы 100
3. Обоснование и выбор математических средств анализа информации 103
3.1. Концептуальные положения эколого-математического анализа информации 103
3.2. Математическая модель образования газообразных, жидких и твердых отходов 107
3.3. Модель оптимизации технологических процессов 112
3.4. Динамика энергоемкости технологических операций и идентификация целевой функции 115
3.5. Методические положения средств математического анализа геоэкологической информации 118
Выводы 120
4. Математическое моделирование пылегазовых выбросов в атмосферу 122
4.1. Методы оценки загрязнения атмосферы и их связь с действующей нормативной базой 122
4.2. Методы прогнозной оценки загрязнения атмосферного воздуха 129
4.3. Информационно-технологические принципы построения системы атмосферного мониторинга 136
4.4. Основное уравнение диффузии примесей в атмосфере 146
4.5. Исходные данные для решения задачи диффузии примесей в атмосфере 151
4.6. Аналитические решения уравнения диффузии для точечного источника 154
4.7. Основные закономерности распространения примесей в атмосфере 162
Выводы 168
5. Газообмен между строительными материалами и окружающей их газовой средой и разработка методических положений обеспечивающих экологическую безопасность помещений по аэрологическому фактору 169
5.1. Физическая модель и математическое описание взаимодействия кислорода с веществом строительных материалов 169
5.2. Поглощение кислорода поверхностью стен, покрытых пористым сорбирующим материалом 173
5.3. Выделение газообразных продуктов окисления вещества строительных материалов 181
5.4. Математическое моделирование поглощения кислорода слоем отделочного материала 182
5.5. Взаимодействие углекислого газа и фторида кремния с бетоном при ократировании 185
5.6. Выбросы газов ократирования бетона в атмосферу 191
5.7. Организация региональной автоматизированной базы данных загрязнения атмосферы 194
5.8. Методика расчета воздухообмена по фактору поглощения кислорода 204
5.9. Методика расчета воздухообмена по фактору выделения газообразных продуктов реакций в веществе строительных материалов и изделий 206
Выводы 209
6. Экологически рациональные технологии производства строительных материалов из промышленных отходов 212
6.1. Сырьевая смесь для изготовления автоклавных изделий 213
6.2. Вяжущее для изготовления бесцементных бетонных смесей 215
6.3. Способ получения сырьевой смеси для теплоизоляционного гранулированного материала 216
6.4. Кислотоупорная композиция 218
6.5. Способ получения бетонной смеси для улучшения технологии бетонных работ 219
6.6. Бетонная смесь для повышения прочности и морозостойкости бетона 221
6.7. Состав покрытия стекловолокна для армирования изделий на цементном или гипсопуццолановом вяжущем 223
6.8. Сырьевая смесь для изготовления стеновых материалов 226
6.9. Состав для изготовления защитного покрытия 228
6.10.Способ изготовления изделий 232
6.11 .Формовочная вяжущая смесь 233
6.12.Состав строительного раствора235
Выводы 235
7. Оптимальные размеры капиталовложений в геоэкологические мероприятия по использованию промышленных отходов 237
7.1. Эколого-экономическая модель предприятия 237
7.2. Определение оптимальных капиталовложений в геоэкологические мероприятия 240
7.3. Определение предельно допустимых выбросов 243
7.4. Задача экономического компромисса для системы "промышленные предприятия - окружающая среда" 245
Выводы 255
Заключение 256
Литература 261
- Экологически рациональная стратегия природопользования
- Динамика энергоемкости технологических операций и идентификация целевой функции
- Взаимодействие углекислого газа и фторида кремния с бетоном при ократировании
- Эколого-экономическая модель предприятия
Введение к работе
Актуальность работы. Современные масштабы воздействия на атмосферу и гидросферу, а также техногенная активизация геохимического переноса сопоставимы с геологическими процессами. Очевидно, что развитие человеческого общества невозможно без взаимодействия с окружающей средой, а, следовательно, и воздействия на природу без использования природных ресурсов. Однако стала очевидной настоятельная необходимость проведения фундаментальной реструктуризации современных технологий природопользования, обусловленной эмерджентным проявлением разрозненных и совокупных воздействий на окружающую среду различных отраслей промышленности. Это связано с тем, что отраслевое деление ответственности за производимые отходы не позволяет создать достаточно эффективную систему комплексного обращения с отходами производства, обеспечивающую максимально возможное использование промышленных отходов в качестве минерального сырья.
Вследствие того, что ежегодная мировая добыча минерального сырья составляет около 100 млрд т, только из-за развития отвалов из хозяйственного оборота изымается до 10 млн га земли. В отвалы на протяжении многих лет направляются вскрышные известняки, огнеупорные глины, каолинистое сырье, песчаники, кварциты, фтористые и нефелиновые отходы обогащения, солевые шламы. Накоплено более сотни миллиардов различных горных пород, которые по своему качеству часто превосходят то нерудное сырье, которое добывают предприятия производства строительных материалов.
В России ежегодно образуются около 7 млрд т отходов, из которых используются только 1,5 – 2 млрд т, и под полигоны отчуждается около 10 тыс. га пахотной земли. На территории страны в отвалах и хранилищах накоплено около 80 млрд т только твердых отходов. Среди твердых отходов значительную часть составляют отходы горной промышленности, золы и шлаки ТЭС, шлаки черной и цветной металлургии. По ориентировочным подсчетам, ежегодно в стране образуется более 3 млрд т только отходов горных предприятий.
По данным органов Государственного контроля и надзора за природными ресурсами, доля используемых отходов по стране составляет 5 – 8 %. Например, в Тульской области в 1995 г. было утилизировано 800 тыс. т токсичных и малотоксичных отходов, а в период с 1996 по 2007 гг. этот показатель увеличился на 18,3 %. Однако этот показатель в недавнем прошлом, в промышленности бывшего СССР составлял 29 % . Остается он крайне низким и по сравнению с мировой практикой. В Западной Европе (Франция, Германия, Италия, Англия) этот показатель составляет до 58 %, в Северной Америке (США, Канада) – до 63 %, в Японии – до 87 %, Китае – до 37 %.
Комплексное использование сырья и промышленных отходов металлургических, энергетических, горнодобывающих и химических предприятий является острейшей проблемой не только России, но и любого экономически развитого государства, и, как показала практика, отходы именно этих отраслей промышленности, во-первых, производятся в наибольших количествах, и, во-вторых, представляют серьезную экологическую опасность. Особую остроту эта проблема приобретает в условиях наблюдающегося подъема угольной промышленности в России. Показательными в этом отношении являются Кемеровская и Тульская области.
По данным государственной статистической отчетности за 2006 год, только на территории Кемеровской области образовалось 1 701 366,229 тыс. т отходов производства и потребления. Из общего количества отходов использовано 944 175,894 тыс. т; обезврежено 13,539 тыс. т; размещено на объектах 734 038,251 тыс. т (в том числе на собственных объектах размещено на хранение 732 600,828 тыс. т, на захоронение – 1 437,423 тыс. т). В Кузбассе образование отходов в 2006 году превышает образование отходов 2005 года на 351 689,839 тыс. т (26,18 %). Рост объема отходов обусловлен преимущественно увеличением количества вскрышной породы (V класс опасности) в связи с ростом добычи каменного угля.
Подмосковный бассейн, расположенный в нескольких областях Центрального Федерального округа, имел наибольшую концентрацию горных работ в Тульской области. Тульская область относится к ведущему промышленному региону Российской Федерации с высоким экономическим потенциалом и, как и любой промышленный регион, она располагает «второй геологией» - значительными запасами разнообразных отходов, накопленными в течение десятилетий. Это отходы горнодобывающей, металлургической, теплоэнергетической, машиностроительной, химической и других отраслей промышленности. Общий объем накопленных отходов составляет более 70 млн т с ежегодным поступлением в 10 млн т.
В этих условиях особую остроту приобретает проблема экологически рационального использования отходов производства как вторичного сырья и разработки научных принципов в создании новых технологических регламентов производства товарной продукции из отходов, и, прежде всего, из твердых отходов. Поэтому научное обоснование эколого-технологических положений системы обращения с отходами производства на территории горнопромышленного региона является актуальным.
Диссертационная работа выполнялась в рамках тематических планов Федеральной целевой программы «Интеграция», межрегиональных научно-технических программ «Прогноз» и «Экологически чистое горное производство», тематических планов госбюджетных и хоздоговорных НИР ТулГУ, а так же при поддержке аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы на 2009 – 2010 гг.»,
Целью работы являлись установление новых и уточнение существующих закономерностей использования отходов производства на территориях горнопромышленных регионов для разработки эколого-технологических положений системы комплексного обращения с промышленными отходами, позволяющей снизить техногенную нагрузку на окружающую среду и обеспечить рациональное использование вторичных минеральных ресурсов.
Идея работы заключается в том, что теоретические положения создания системы комплексного обращения с промышленными отходами, позволяющей снизить техногенную нагрузку на окружающую среду и обеспечить рациональное использование вторичных минеральных ресурсов, основываются на установленных физико-химических закономерностях взаимодействия компонентов техногенных месторождений, влияющих на качество вторичного сырья, интенсивность газообмена с атмосферой и энергоемкость технологий утилизации отходов горных предприятий.
Научные положения, выносимые на защиту:
- распределение средних значений физико-химических и технологических свойств отходов техногенных месторождений изменяется за время их хранения до некоторого фиксированного значения, а далее материал теряет свои потребительские качества, что формально выражается значением функции плотности распределения полезных свойств минерального компонента, стремящейся к нулевому значению;
- управляемый синтез, протекающий в смеси из двух или нескольких легко смешивающихся между собой отходов горного производства и смежных отраслей промышленности, в результате химических процессов образовывает нетоксичные конечные продукты, являющиеся вторичным минеральным сырьем;
- экологическая оптимизация процесса получения композитов из отходов горного производства формально сводится к задаче линейного программирования, в которой условие неубывания целевой функции, характеризующей энергоемкость технологий переработки отходов, свидетельствует о том, что ее минимум может быть обеспечен при минимуме всех функций, входящих в ее состав;
- нестационарные одномерные поля концентрации кислорода, проникающего в пористую структуру материала, изготовленного из отходов, и концентрации газов, образующихся в данной пористой среде, корректно описываются уравнениями параболического типа в частных производных;
- диффузионные нестационарные одномерные поля концентрации газов, используемых для повышения плотности материала, изготовленного из отходов, представляют собой монотонно убывающие функции, которые стремятся к некоторому асимптотическому значению;
- физически обоснованным и практически целесообразным для расчета валовых выбросов газов в атмосферу при технологических процессах повышения плотности материала является использование методов интегральной газовой динамики.
Новизна научных положений:
- обосновано использование одномерного уравнения гиперболического типа в частных производных для описания динамики распределения средних значений физико-химических и технологических свойств отходов в техногенных месторождениях;
- доказано, что при целенаправленном синтезе в смеси отходов протекают химические реакции, не только способствующие образованию новых ценных сырьевых продуктов, но и производящие работу диспергирования твердой фазы;
- установлены закономерности диффузионного переноса кислорода и газообразных продуктов химических реакций в пористой структуре вещества материалов, изготовленных из отходов, отличающиеся тем, что профили концентраций газовых компонентов описываются с учетом кинетики сорбционного взаимодействия с твердой фазой на макрокинетическом уровне и интенсивности химических реакций;
- термодинамическими расчетами доказаны возможные схемы химических реакций в материалах, полученных из отходов горного производства и сопровождающимися образованием токсичных газов;
- обосновано, что эмерджентный эколого-технологический показатель характеризует энергоемкость технологий переработки отходов горного производства и смежных отраслей промышленности на территории горнопромышленного региона;
- получены расчетные зависимости определения воздухообмена в помещениях, отделанных материалом с пористой структурой, учитывающие кинетику газообмена в замкнутом объеме;
- получены зависимости выделения газов ократирования бетонов в атмосферу при вторичном использовании фторидов кремния.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:
- обоснованным использованием классических методов физической химии, математической физики, математической статистики и современных достижений вычислительной техники;
- достаточным объемом лабораторных и вычислительных экспериментов, результаты которых свидетельствуют об адекватности разработанных моделей, обоснованности выводов, рекомендаций и коэффициентами корреляции;
- результатами опытно-промышленной апробации разработанных методик и положительными решениями Государственной патентной экспертизы по заявленным техническим решениям.
Практическая значимость работы заключается в том, что разработаны новые технологические подходы к получению композитов из отходов горных предприятий с использованием отходов других отраслей промышленности (новизна подтверждена положительными результатами Государственной патентной экспертизы), позволяющие рационально использовать природные ресурсы за счет вовлечения в технологические циклы отходов горно-металлургических и химико-технологических предприятий, а также тепловых электростанций.
Разработаны комплекты математических моделей для прогнозирования процессов газообмена между воздушной средой и веществом строительных материалов помещений, позволяющие решать задачи воздухообмена; комплекты математических моделей для прогноза валовых выбросов газов ократирования бетонов в атмосферу. Комплекты существенно облегчают решение задач инвентаризации источников загрязнения воздушного бассейна, что повышает эффективность САПР технологических процессов и экологической экспертизы на всех этапах производства и эксплуатации материалов из отходов горных предприятий.
Реализация работы. Основные научные и практические результаты диссертационной работы внедрены на горных предприятиях г. Тулы и Тульской области и использованы природоохранными 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 на производство строительных материалов (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.). Теоретические результаты и технические решения включены в учебные курсы по охране окружающей среды и рациональному использованию природных ресурсов для студентов, обучающихся по специальностям 320700 – Охрана окружающей среды и рациональное природопользование и 270106 – Производство строительных материалов, изделий и конструкций, а также использованы при выполнении договорных и госбюджетных НИР в Тульском государственном университете.
Апробация работы. Научные положения и практические результаты диссертационной работы в целом и отдельные ее разделы докладывались и обсуждались на научных семинарах и конференциях кафедр аэрологии, охраны труда и окружающей среды и строительных материалов ТулГУ (г. Тула, 1985 – 2009 гг.); ежегодных конференциях профессорско-преподавательского состава ТулГУ (1985 – 2009 гг.); 1-й Международной конференции «Проблемы создания экологически чистых и ресурсосберегающих технологий добычи полезных ископаемых и переработки отходов горного производства» (г. Тула, 1996 г.), 2-й Международной конференции по проблемам экологического образования (г. Тула 1996 г.), 1-й Международной конференции по проблемам экологической и технологической безопасности «Белые ночи» (г. Санкт-Петербург, 1997 г.), 2-м Международном симпозиуме «Remediation of Hazard Wastes» (Чехия, г. Прага, 1997 г.), на совещании представителей общественной организации «Albany-Tula Alliance», от Государственного университета штата Нью-Йорк (США), ТулГУ и администрации Тульской области (г. Тула, 1997 г.).
Керамические изделия из отходов горно-металлургической промышленности экспонировались на Международной Лейпцигской ярмарке (Германия, 1997 г.); Международной выставке в Дюссельдорфе (Германия, 1998 г.), Международной выставке в Берлине (Германия, 1999 г.).
В 2000 г. отдельные разделы работы докладывались на Международном экологическом конгрессе «Новое в экологии, безопасности жизнедеятельности» (г. Санкт-Петербург, 2000 г.), Международном экологическом симпозиуме «Перспективные информационные технологии и проблемы управления рисками на пороге нового тысячелетия», «Белые ночи – 2000» (г. Санкт-Петербург, 2000 г.); 3-й Международной научно-практической конференции «Высокие технологии в экологии»( г. Воронеж, 2000 г.); Международной конференции «Освоение недр и экологические проблемы – взгляд в 21-й век» (г. Москва, 2000 г).
В 2001 – 2003 гг. доклады представлялись на Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы строительства и строительной индустрии» (г. Тула, 2001 г.); IV Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы строительства и строительной индустрии» (г. Тула, 2003 г.); 1-й Международной конференции по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики «Социально-экономические и экологические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики» (г. Тула, 2003 г).
В 2005 г. доклад был представлен на VI-м Международном симпозиуме (Югославия), г. Будва, на VI-ой Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы строительства и строительной индустрии» (г. Тула, 2005г.).
В 2007 г. – на III-й Международной конференции по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики (г. Тула, 2007г.).
В 2008 г. – на VI-ой Международной конференции по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики (г. Тула, 2008г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 76 научных работ. В том числе: одна брошюра, три монографии, 29 статей в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получено 17 авторских свидетельств и 9 патентов, 17 работ – в материалах всесоюзных, всероссийских, международных конференций и других изданиях.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав и заключения, содержит 47 иллюстраций, 30 таблиц и список литературы из 300 наименований.
Автор выражает глубокую благодарность д-ру техн. наук, проф. Э. М. Соколову, д-ру техн. наук, проф. Е. И. Захарову за постоянную поддержку и методическую помощь в проведении исследований, а также проф. М. И. Горбачевой, д-ру техн. наук, проф. Н. И. Мелиховой, д-ру техн. наук, проф. И. В. Панферовой за совместную работу и ценные научные и методические советы в разработке проблемы.
Экологически рациональная стратегия природопользования
Стратегия природопользования определяет политику планирования и использования природных ресурсов, поиска и освоения их источников. Таким образом, стратегия природопользования является одной из основных частей стратегического планирования в процессе управления субъектом федерации. Стратегическое планирование должно быть базовым блоком управления территорией любого субъекта Российской Федерации, так как каждая такая территория все чаще сталкивается с проблемой неопределенности ее будущего. Аналогичные ситуации характерны для многих субъектов федерации, входящих в Центральный регион России [31, 83, 121, 161, 163].
Особую актуальность стратегическое планирование приобретает для обеспечения стратегии экологически рационального использования минеральных ресурсов. Современная ситуация характеризуется глобальной и региональной реорганизацией промышленного инвестирования и растущей конкуренцией среди субъектов федерации за продуктивные инвестиции. Это требует от администрации субъекта федерации умения адаптировать свою деятельность по планированию и формированию экономической политики таким образом, чтобы эффективно реагировать на изменяющиеся экономические условия.
Целью стратегического планирования экологически рационального использования природных ресурсов является разработка региональной экологической политики на конкретной территории, позволяющей формировать областной бюджет и программу экономического развития. Очевидно, наиболее сложные проблемы, с которыми приходится сталкиваться, например, в Центральном регионе России при осуществлении стратегического планирования - это, во-первых, слабая заинтересованность областных администраций в финансировании такой деятельности и, во-вторых, отсутствие единого информационного пространства для государственных организаций различных ведомств [105,107, 116, 260].
Стратегия рационального природопользования, в целом, и использования минерально-сырьевых ресурсов, в частности, предполагает практическую реализацию следующих мероприятий:
создание и развитие территориальной системы сбора, анализа и обобщения информации о природных ресурсах;
разработка и совершенствование территориальной системы ситуационного моделирования;
обеспечение функционирования комплексного территориального кадастра природных ресурсов;
разработка комплексного территориального кадастра загрязнения окружающей среды;
развитие локального экологического законодательства, обеспечивающего функционирование нормативно-правовых механизмов, способствующих экологически рациональному природопользованию;
разработка и развитие базы данных по технологиям добычи и переработки полезных ископаемых, а также утилизации отходов горного производства;
создание территориальной системы маркетинга природных ресурсов.
Результаты, полученные Институтом проблем комплексного использования недр Российской Академии наук (ИПКОН РАН), Тульским государственным университетом (ТулГУ), Международной академией наук экологии и безопасности жизнедеятельности (МАНЭБ), Академией горных наук и ряда других научных школ, показывают, что для подсистемы рационального использования минеральных ресурсов необходимо создавать единые территориальные центры геологических исследований и геологоразведочных работ, обеспечивающие развитие минерально-сырьевой базы с учетом специфики региона и его роли в экономике страны.
Динамика энергоемкости технологических операций и идентификация целевой функции
Рассматривая произвольную технологическую операцию, можно утверждать, что в первом приближении скорость изменения энергии пропорциональна разности средних скоростей потребления и поступления энергии из внешних источников, следовательно, справедливо следующее уравнение.
Результаты вычислений с использованием зависимостей представлены на рис. 3.6. При этом легко заметить, что вектор параметров х целевой функции (3.21) можно выразить как логарифм отношения энергий, заданных выражением (3.26). Таким образом, целевая функция будет представлять собой линейные комбинации произведений констант Kt на длительности технологических операций tt. Разумеется, что специальные и общие ограничения будут связаны с длительностью /,.
Графики на рис. 3.7 наглядно иллюстрируют множество всех допустимых значений решений рассматриваемой задачи математического программирования. Очевидно, рассматриваемая задача линейного программирования является допустимой, так как эта задача всегда будет иметь хотя бы одно допустимое решение (т. е. допустимое множество не пусто). Точка (tt) i= 1, 2, З, Non (где Non - количество технологических операций в оптимизируемой технологической схеме), которая будет характеризовать оптимальное решение задачи, будет являться точкой глобального минимума.
В общем случае любого процесса природопользования задача минимизации энергозатрат на получение товарной минерально-сырьевой продукции может быть записана в следующем виде.
Задача (3.27) - (3.29) имеет каноническую форму задачи линейного программирования с исследованием целевой функции на глобальный минимум. Основные результаты оптимизации технологических процессов могут быть получены в виде оптимальных длительностей операций каждого технологического цикла. Этот подход позволяет реализовать системные принципы комплексной оценки минерально-сырьевых ресурсов конкретной территории для экологически рационального использования.
Несомненным преимуществом предлагаемого подхода является сравнительная простота решения задач оптимизации технологических процессов. Вычислительные эксперименты показали, что для повышения качества прогнозных экологических оценок последствий принимаемых решений необходимо создавать локальные базы данных, содержащих информацию о динамике энергопотребления.
Взаимодействие углекислого газа и фторида кремния с бетоном при ократировании
Взаимодействие газов с веществом бетона при процессе ократирования (рис. 5.10) происходит за счет проникновения газов в пористую структуру бетона и диффузионного переноса газовых молекул в микропорах и по внутренним поверхностям твердого скелета. Система внутренних пор является в этом случае транспортными каналами для проникновения газов внутрь бетона. Молекулы газов будут сорбироваться твердыми поверхностями транспортных каналов, а затем вступать в химические реакции с веществом бетона. Следовательно, процессы диффузионного переноса углекислого газа и фтористого кремния в бетоне необходимо учитывать при оценке экологической рациональности технологий производства бетонов. Интенсивность этих процессов при фиксированном уровне внешних воздействий зависит от диффузионного сопротивления среды, в которой распространяется газ. Диффузионное сопротивление вещества бетона движению через него углекислого газа или фтористого кремния можно характеризовать коэффициентом эффективной диффузии, так как в реальных условиях наблюдается как кнудсенов-ская, так и фольмеровская диффузия и разделить эти два вида диффузионного переноса чрезвычайно сложно.
Коэффициент эффективной диффузии газов в бетоне является макро-кинетической характеристикой переноса. Поэтому очевидна связь этого параметра с прочностными характеристиками бетонов, с одной стороны, и выбросами газов, использованных для ократирования, в атмосферу - с другой. Разумеется, расчет динамики выбросов загрязнителей в атмосферу целесообразно осуществлять на стадии проектирования технологического процесса. Однако при этом необходимо обеспечить проектировщика информацией о динамике диффузионного и сорбционного переноса газов в пористой сорбирующей среде.
Динамику данного процесса необходимо рассматривать на макрокине-тическом уровне и в тоже время желательно уменьшить трудоемкость исследований без снижения достоверности результатов. Эта комплексная задача может быть решена путем совместного использования математического моделирования, адаптированного к конкретным физическим условиям, и технических средств, обеспечивающих реализацию начальных и граничных условий. С этой точки зрения, практический интерес представляет нестационарная одномерная диффузия в полуограниченном пространстве.
Расчетная схема газообмена в камере при ократировании (рис. 5.11), диффузионный перенос углекислого газа и фтористого кремния в бетоне описывается следующей системой уравнений.
Для автоматизированного расчета нестационарного поля концентраций углекислого газа или фтористого кремния в слое бетона и динамики /-го диффузионного потока, поступающего в вещество бетона, разработан комплекс программных средств, который реализуется в прикладном пакете Mathematica 2.2. Разработанное математическое обеспечение было использовано для проведения вычислительного эксперимента, в котором коэффициент эффективной диффузии изменялся от 10 7 до 10"6 м2/с, а отношение начальной скорости сорбции газов веществом бетона к константе Генри от 10"4до 5-Ю"2 1/с. Нестационарные одномерные поля концентраций газов, используемых при ократировании, в слое бетона и изменения величины 2с/сцв) в пространстве и времени при и{(о/Г( = /0" 1/с и Д = /0" м /с, наглядно свидетельствует о монотонном убывании этой функции и ее стремлении к некоторому асимптотическому значению.
Для исследования динамики диффузионного потока углекислого газа и фтористого кремния в вещество бетона при различных значениях коэффициента диффузии и начальной скорости сорбции целесообразно эту зависимость представить в следующем виде.
Обработка результатов вычислений (рис. 5.12, 5.13) показывает, что диффузионный поток газа, проникающего в пористую структуру бетона, стремится к некоторому постоянному значению, которое достигается через достаточно большое время, которое, как правило, превышает длительность процесса ократирования. Численно это предельное значение можно определить как асимптоту функции (5.32)
В целом зависимости (5.32) - (5.33) характеризуют диффузионный перенос и сорбционный массообмен газов, например, углекислого газа или фтористого кремния, используемых для ократирования бетона. Очевидным является и тот факт, что эти зависимости должны использоваться для определения мощности выбросов газов ократирования в атмосферу.
Эколого-экономическая модель предприятия
Объектом математического моделирования выберем промышленное предприятие стройиндустрии, где перерабатываются отходы производства. Разумеется, такое предприятие является источником загрязнения окружающей среды. Предприятие характеризуется основными микроэкономическими факторами производства: капиталом в виде расходов на основные и оборотные производственные фонды и трудовыми ресурсами (людьми и их способностью производить товары и услуги) [61,107,163, 189,201,248, 287, 290]. В свою очередь, капитал как средства производства является источником загрязнения окружающей среды.
Результатом взаимодействия капитала и трудовых ресурсов является готовая продукция, которая поступает на рынок. Полученная от реализации через рынок готовой продукции выручка частично расходуется на погашение издержек (амортизационные отчисления в основные фонды, плата за использованные оборотные фонды, заработная плата персоналу). Также выручка может расходоваться на проведение мероприятий по очистке окружающей среды от загрязнителей, выбрасываемых предприятием. Оставшаяся часть выручки называется прибылью и может расходоваться на инвестиции (капиталовложения) в основные и оборотные фонды.
Эколого-экономическая структура промышленного предприятия представлена на рис. 7.І.
Представим математическое описание объекта моделирования в виде агрегированной модели. Состояние эколого-экономической системы опишем следующими величинами:
IT- объем продукции, выпускаемой предприятием за единицу времени;
К- основные производственные фонды;
L - трудовые ресурсы;
Q — количество загрязнителей, образующихся при производстве продукции;
U aQ - количество обезвреженных загрязнителей (улавливаемых выбросов), где 0 а оСтах - степень очистки (улавливания), где атах 1 - максимально возможная степень очистки (улавливания);
Q = Q - U = (/ - a)Q - количество загрязнителей, попавших в окружающую среду
Обозначим через оптовую цену продукта 77, тогда за реализацию продукта предприятие получит сумму уП. Из этой суммы часть идет на покрытие себестоимости продукта Л, в которую входят [61]:
а) оП- оборотный капитал (затраты на материалы, сырье и т. д.), где а - оборотный капитал на единицу продукции;
б) pL - затраты на оплату труда, где /3— норма заработной платы;
в) ЯК - амортизационные отчисления.
Итак, А = оП + /3L + Ж.
Будем считать, что на предприятии реализуется так называемая природоохранная технология "конца трубы". Она соответствует функциональной схеме процесса очистки пылегазовых выбросов, представленной на рис. 7.2.
Пусть о) - количество образования отходов на единицу продукции. Тогда Q = соП.
Пусть g(U)- функция затрат на обезвреживание загрязнителей в количестве U. Функция g(U) монотонно возрастающая и, как правило, нелинейная, так как чем выше степень очистки, тем выше затраты на единицу обезвреживаемых загрязнителей [14, 34], причем g(0) = 0; g(U) = g(aQ) = Qg(a) = cong(a).
