Введение к работе
Актуальность темы В глобальном программном документе развития человечества «Повестка дня па XXI век» проблема отходов определена как препятствующая устойчивому развитию мировой экономики, а на Международной конференции по устойчивому развитию в Йоханнесбурге в 2002г признана главном проблемой в области охраны окружающей среды Образование отходов делает антропогенный круговорот ресурсов незамкнутым и ведет к нарушению устойчивости биосферы вследствие истощения природных ресурсов и негативного воздействия на природные экосистемы
Ежегодно в атмосферу выбрасывается около I млрдт газообразных отходов, в гидросферу - около 15 млрдт жидких отходов, на землю попадает примерно 85 млрдт твердых отходов Количество накопленных отходов в России составляет около 120 млрдт, а годовой экономический ущерб от загрязнения отходами окружающей среды оценивается на уровне 10% валового внутреннего продукта
Высокий уровень образования отходов является следствием неэффективного использования в производственной деятельности природных ресурсов В то же время, опыт развитых государств показывает, что человечество может успешно развиваться, значительно сократив потребление природных ресурсов на единицу продукции Известно, что ресурсо- и энергоемкость единицы ВВП в США в 1 раза, а в Западной Европе и Японии в 3-4 раза ниже, чем в России Это означает, что для производства 1 т продукции в этих странах вовлекается в 2-4 раза меньше природных ресурсов при соответствующем снижении образования твердых, жидких и газообразных отходов
Для российской металлургии проблема отходов имеет особую актуальность вследствие высокого уровня их удельного образования па единицу металлопродукции - в 1,5-3 раза выше, чем в развитых странах Это обуславливает высокую ресурсо- и энергоемкость отечественных металлургических предприятий и загрязнение окружающей среды в регионах их размещения Накопления отходов металлургической и связанной с ней горнодобывающей отрасли на территории Урала н Кузбасса превышают 50 млрд т, а общая площадь занятых под их складирование п нарушенных вследствие этого экосистем составляет более 60 тыс га Эффективно организованное управление отходами позволит оптимизировать материально-энергетические потоки между производственными процессами металлургического предприятия и окружающей средой и обеспечить устойчивое развитие его экономики без разрушения природных экосистем
Цель работы. Разработка научного обоснования управления отходами, методологии его реализации на металлургическом предприятии, технологических решений, обеспечивающих оптимизацию материально-энергетических потоков между производственными процессами металлургического предприятия и окружающей средой
Основной объем работы был выполнен по планам НИР ГО У ВПО «Си бирский государственный индустриальный университет» в соответствии -заданиями Государственного плана экономического и социального развншя СССР и ГКНТ № 113/233 от 30 06 1986, всесоюзными межвузовскими программами (Металл) и «Эмерго- и ресурсосберегающие технологии в металлургии», конкурсом грантов Министерства общего и профессионального образования РФ по фундаментальным исследованиям в области металлургии, Программой Министерства образования «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники», Федеральной целевой программой «Интеграция образования и фундаментальной науки»
1 Введено и обосновано понятие «техноэкосистема» Сформулированы принципы организации техноэкоеистем, обеспечивающие их устойчивоеразвитие
2 Разработана концепция управления отходами техиоэкосистемы и предложены принципы формирования информационных потоков, обеспечивающих функционирование системы управления отходами промышленного предприятия
3 Получена новая информация об особенностях скоростного пиролиза энергетических углей в условиях доменного конвертерного процессов, позволившая разработать и теоретически обосновать способы оптимизации энергетической функции Установлена связь реакционной способности углерода твердых продуктов пиролиза углей с параметрами кристаллической структуры
4 Экспериментально доказано, что процесс скоростного пиролиз.) угольных частиц протекает преимущественно к неизотерм и чес условиях при определяющей роли внешнего теплообмена для высокомегаморфизованных углей и внутреннего теплопереноса для малометаморфпзованиых углей
5 Теоретически обоснованы способы интенсификации реализации энергетического потенциала углей, вдуваемых и фурменную зону доменной печи
6 Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность использования отходов полимеров в смеси с пластификаторами (отработанное масло, каменноугольная смола) в качестве связующих для брикетирования мелкодисперсных железосодержащих отходов металлургического производства
7 Получены новые данные об участии газообразных продуктов пиролиза органических компонентов в восстановлении железа внутри брикетов, позволившие расширить спектр используемых в металлургии восстановителей и теоретически обосновать возможность получения самовосстанавливающихся в металлургических агрегатах брикетов
8 Получены новые данные о каталитическом влиянии кальций- и железосодержащих отходов металлургического производства на процессы окисления газообразных и твердых продуктов пиролиза углей, позволившие обосновать целесообразность их ввода в состав топливных брикетов Впер вые установлено, что кальции- и железосодержащие отходы металлургического производства оказывают комплексное обезвреживающее и обеззараживающее действие на токсичные орган осодержащие отходы (фторуглероди-стыс отходы алюминиевой промышленности, отходы от очистки сточных вод), обеспечивая, наряду с переводом в нерастворимую форму токсичных неорганических соединении, интенсификацию разложения органических загрязнителей, включая ПАУ, и подавление жизнедеятельности патогенных микроорганизмов
9 Получены новые данные об особенностях горения углерода отработанной углеродистой футеровки электролизеров алюминиевого производства, позволившие теоретически обосновать целесообразность ее использования в доменном и сталеплавильном процессах
10 На основании результатов исследований шламонакопителя металлургического предприятия выявлены закономерности сегрегации частиц отходов по его поверхности и глубине, на основании которых предложен механизм формирования техногенного месторождения на территории шламона копателя
Практическая значимость
Полученная в работе совокупность теоретических положении, методов и экспериментальных данных является инструментом для практической реализации системы управления отходами па металлургических предприятиях и обеспечения их устойчивого развития
1 Предложены и внедрены методы количественной, материальной, экономической и энергетической оценки отходов, методы нормирования отходов и планирования действий с отходами, позволившие сформировать информационные потоки, обеспечивающие функционирование системы управления отходами
2 Разработан и внедрен комплекс методов прогнозной оценки углей, позволивший сформировать угольную сырьевую базу для доменной технологии с использованием углей в пылевидном и кусковом виде и кислородно-конвертерного процесса с вводом углей в период прогрева лома и по ходу продувки в жидкий металл
3 Разработаны и внедрены методы оптимизации доменного процесса с использованием кусковых углей и кислородно-конвертерного процесса с вводом углей в период прогрева лома, обеспечивающие снижение потребления кокса, жидкого чугуна и образования конвертерного шлака
4 Разработаны и внедрены рекомендации по подбору и использованию углей в топках теплоэнергетических установок со слоевой системой сжигания, обеспечивающие снижение расхода топлива образование отходов
5 Разработаны новые виды брикетированного сырья для металлургии на основе мелкодисперсных отходов металлургического, ферросплавного, алюминиевого производства, углепереработки, разработаны и внедрены технологии получения и использования брикетов в конвертерных процессах Разработаны и внедрены способы получения синтетических флюсои для металлургии на основе фторуглероднстых отходов алюминиевого производства Синтетические флюсы и технологии с их использованием внедрены в доменном и конвертерном производствах, обеспечив снижение потребления материально-энергетических ресурсов при выплавке чугуна (кокс) и стали (жидкий чугун, известь и др ), уменьшение образования шлаков и обезвреживание отходов алюминиевого производства
7 Разработана и внедрена технология выплавки стали в конвертере с использованием отработанных автомобильных покрышек в период прогрева лома для частичной замены угля Экспериментально доказана возможность использования отработанных автомобильных покрышек в качестве альтернативного топлива на угольных теплоэнергетических установках с топками прямого хода
8 Разработана карта-схема химического состава шламонакопнтеля ОАО «ЗСМК», определены перспективные участки для извлечения железосодержащего и органического сырья
9 Разработаны и внедрены в условиях хвостохранилпша Абагурской ОАФ и шламонакопнтеля ОАО «ЗСМК» методы консервации отвалов металлургических предприятии с использованием отходов от очистки городских сточных вод (ОСВ), позволяющие одновременно решить две актуальные проблемы - восстановить и обезвредить техногенные ландшафты и удалить и обезвредить отходы от очистки сточных вод
Полученные научные результаты внедрены в условиях ряда металлургических (ОАО «ЗСМК», ОАО «НКМК») и теплоэнергетических (МКП «Те-плоэпергпя», г Новокузнецк) предприятии, используются в учебном riptmeL-се в ГОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный унпверсикі» при подготовке студентов по специальности 150109 «Металлургия техногенных и вторичных ресурсов»
Предмет злшиты и личный вклад автора а защиту выносятся
- концепция управления отходами техноэкосистемы и методология ее реализации в условиях промышленного предприятия,
- методы и результаты количественной, материальной, экономической и энергетической оценки отходов доменного и сталеплавильного производств металлургического предприятия,
- результаты экспериментальных исследований скоростною пиролиз углей в условиях доменного и конвертерного процессов,
- методы и результаты прогнозной оценки углей для доменного и конвертерного процессов,
- принципы подбора углей для топок теплоэнергетических установок со слоевым способом сжигания,
- методы получения новых видов брикетированного сырья для металлургии на основе мелкодисперсных отходов металлургии и смежных отраслей, - экспериментальные данные о каталитическом влиянии соединений кальция и железа па процессы окисления продуктов пиролиза углей,
- гипотеза преимущественного восстановления железа летучими продуктами пиролиза органических восстановителей в брикетах,
- методы получения синтетических флюсов для металлургии на основе фторуглсроднстых отходов алюминиевых заводов,
- методы переработки отработанных автомобильных покрышек в теплоэнергетических установках и конвертерах,
- механизм формирования техногенного месторождения па территории шдамонакопитсля металлургического предприятия,
- методы обезвреживания отходов от очистки сточных вод и рекультивации отвалов металлургических предприятий с их использованием
Автору принадлежит постановка задач теоретических и экспериментальных исследовании, разработка теоретических положении управления отходами п методологии его практической реализации, технологических решений, обеспечивающих снижение образования, переработку, обезвреживание и экологически безопасное захоронение отходов металлургии и смежных отраслей, участие в проведении экспериментов, обработка и обобщение результатов
Апробация работы Основные результаты докладывались на следующих конференциях, симпозиумах, семинарах Всесоюзная конференция «Исследование углей, процессов и продуктов их переработки» Свердловск, 1985, VII Всесоюзная конференция «Теория и практика кислородно-конвертерных процессов», Днепропетровск, 1987, Всесоюзная конференция «Пути повышения эффективности исследования углей, процессов и продуктов их переработки», Свердловск, 1988, «I Всесоюзная школа-семинар по применению физико-химических методов исследований и анализа углей и их производных», Свердловск, 1989, Всесоюзный симпозиум «Проблемы катализа в углехнмни», Донецк, 1990, Всесоюзная конференция «Технологическое обеспечение технологических процессов черной металлургии», Днепропетровск, 1990, Всесоюзная конференция «Создание и освоение экологически чистых, ресурсосберегающих технологии в черной металлургии», Донецк, 1991, конференция с международным участием «Углеродные материалы из нефтяного и каменноугольного сырья», Новокузнецк, 1994, Международная конференция «Proc Eighth hit Conf Coal Science», Oviedo, Испания, 1995, Международная конференция «Эксплуатация систем водоснабжения и водоотведения», Красноярск, 1996, IV Международная конференция «Перспективы развития горнодобывающей промышленности», 1997, Международная конференция «Эксплуатация систем водоснабжения и водоотведения», Красноярск, 1997, Международная конференция «Проблемы экополиса», Барселона, 1998, Международная конференция «Водоснабжение и водоотведение, качество и эффективность», Красноярск, 1998, Всероссийская конференция «Современная металлургия начала нового тысячелетия», Липецк, 2001, Международная конференция «Сотрудничество для решения проблемы отходов», Харьков, 2004, Международный конгресс по управлению отходами «ВЭЙСТТЭК», Москва, 2005, Международная конференция «Сотрудничество для решения проблемы отходов», Харьков, 2005, Международная конференция «Металлургия России на рубеже XXI века», Новокузнецк, 2005, XI Международная конференция «Алюминии Сибири», Красноярск, 2005, Международная конференция «Управление отходами - основа восстановления экологического равновесия в Кузбассе)), Новокузнецк, 2005, Международная конференция «Современные технологии и оборудование для внепечной обработки и непрерывной разливки стали», Москва, 2006
Публикации. По результатам выполненной диссертационном работы опубликовано ! 12 работ, в том числе 49 статен R научных журналах и сборниках, из которых 25 - в рецензируемых научных журналах, получено 5 авторских свидетельств на изобретения СССР и патентов РФ
Структура н объем работы Диссертация изложена на 404 страницах машинописного текста, состоит из введения, 8 глав и заключения, содержи і 47 таблиц, 72 рисунка, 183 страницы приложений и список литературы из 366 наименований
