Введение к работе
Актуальность темы. Десятки миллионов тонн диоксида серы SO2 поступают ежегодно в атмосферу Земли при сгорании серосодержащего топлива, прежде всего углей, и переработке сернистых руд. Превратившись в экологический фактор глобального масштаба, это вещество способствует негативному изменению характеристик тропосферы, гидросферы и педосферы, снижает продуктивность природных экосистем и сельского хозяйства, ухудшает качество среды обитания живых организмов планеты, включая человека, ускоряет разрушение созданных им объектов. По экспертным оценкам глобальный экологический ущерб от выброса только 1 т SO2 достигает 250-300 долл. США.
Намеченное Энергетической стратегией России возрастание доли угля в топливно-энергетическом балансе страны актуализирует проблему использования его высокосернистой компоненты. Так, при полном сгорании
1 т, например, подмосковного угля (~ 2,6 % S) образуется 52 кг SO2, за выброс которых предусмотрены штрафные санкции. Между тем из этого количества диоксида серы можно получить почти 80 кг ценного для экономики продукта – серной кислоты, одновременно способствуя улучшению экологической обстановки.
В соответствии с принципами охраны окружающей среды и рационального природопользования отечественные угли, особенно высокосернистые, должны служить не только стабилизирующим компонентом топливно-энергетического комплекса, но и стать крупнотоннажным вторичным ресурсом для ряда отраслей экономики. Большую роль при осуществлении второго направления могут сыграть увеличение масштабов предварительного обогащения углей (каменных и бурых) и эффективная в социально-экономическом аспекте утилизация образующихся при этом крупнотоннажных отходов.
Цель исследования – снижение уровня экологической опасности предприятий угольной электроэнергетики посредством их сопряженной диверсификации, базирующейся на десульфуризации угля перед сжиганием и последующей переработке образующихся отходов в продукты, используемые для осуществления природо-, ресурсосберегающих процессов, первоочередного жизнеобеспечения населения (особенно в условиях ЧС) и увеличения продуктивности сельского хозяйства соответствующих регионов.
Основные решаемые задачи:
провести критический анализ состояния загрязнения окружающей среды оксидами серы, образующимися в процессах сжигания углей и углеобогащения, методов десульфуризации дымовых газов и использования сопутствующих им продуктов;
определить технологические элементы экологически ориентированной сопряженной диверсификации предприятий электроэнергетики и углеобогащения, разработать рекомендации по переработке сопутствующих серосодержащих отходов и обосновать области эффективного применения получаемых продуктов;
оценить перспективы использования ряда промышленных отходов, а также природных образований, содержащих биогенные элементы, в технологии полиоксидных катализаторов окисления диоксида серы, образующегося при обжиге углистых колчеданов;
изучить активность указанных катализаторов в широком диапазоне параметров конвертируемых газов, уточнить кинетические закономерности и разработать технологию получения экологичных (биосферосовместимых) катализаторов и рекомендации по их эксплуатации и утилизации;
разработать экологизированную технологию серной кислоты и азотного удобрения на базе углистых колчеданов с различным содержанием пиритной серы;
в целях углубления диверсификации и содействия процессам ресурсо-энергосбережения на предприятиях жизнеобеспечения населения разработать инженерно-технические мероприятия по повышению эффективности и экологической безопасности крупнотоннажных окислителей-дезинфектантов, применяемых в системах водоснабжения и водоотведения;
провести комплексный анализ экономической результативности составных элементов сопряженной диверсификации предприятий углеобогащения и угольной теплоэлектростанции, функционирующих на территории с напряженной экологической обстановкой.
Объекты исследования: дымовые газы ТЭС, крупнотоннажные отходы (железный купорос, пыль кислородно-факельной плавки меди, зола угольных ТЭС, углистые колчеданы (пиритные концентраты)), глауконит, полиоксидные катализаторы; диоксид серы, серная кислота, сернокислотный мелиорант, сульфат аммония с микроэлементами, природная вода, гипохлорит натрия, хлор, пероксид водорода, ионы серебра, меди (II), цинка, пиролюзит, рутил, диоксиды титана и марганца, гопкалит, тест-объекты.
Научная новизна работы заключается в следующем:
выдвинута и обоснована с эколого-экономических позиций идея сопряженной экологически ориентированной диверсификации предприятий углеобогащения и электроэнергетики;
обоснована возможность производства серной кислоты и сульфата аммония методом двухстадийного гетерогенно-каталитического окисления диоксида серы с промежуточным извлечением триоксида серы аммиаком;
сформулированы критерии подбора ингредиентов и разработаны научные основы синтеза экологичных (биосферосовместимых) сернокислотных катализаторов, применение которых снижает уровень негативного воздействия основного производства на природную среду;
выявлена индивидуальная каталитическая активность природного образования – глауконита в реакции окисления диоксида серы; показано, что режим термообработки, приводящий к ферритизации систем Fe2О3 – MnO, Fe2О3 – CuO, Fe2О3 – ZnO, Fe2О3 –MnO – ZnO, способствует повышению их активности и санитарно-экологических показателей процесса;
обнаружены: 1) бактерицидность и бактериостатичность водных растворов, содержащих ионы меди (II), цинка и [Сu(NH3)4]2+; 2) абсорбционные свойства водных растворов аммиаката меди (II) в отношении молекулярного хлора; 3) усиление бактерицидных свойств пероксида водорода гомогенными (Cu2+, Ag+) и гетерогенными (TiO2, пиролюзит, рутил, гопкалит) катализаторами его разложения;
разработаны критерии подбора неорганических активаторов бактерицидных свойств хлорсодержащих и кислородсодержащих окислителей, учитывающие экологические ограничения при их последующем использовании;
разработаны научные основы ресурсосберегающих технологий химико-биоцидной обработки воды, использующих синергетический эффект, который возникает при сочетании молекулярных окислителей-дезинфектантов с неорганическими активаторами бактерицидных свойств.
Техническая новизна разработанных решений подтверждена 10 патентами РФ на изобретения.
Практическая ценность результатов работы:
установлено, что крупнотоннажные отходы производства диоксида титана, кислородно-факельной плавки (КФП), а также огарок углистого колчедана эффективно с эколого-экономических позиций использовать в технологии полиоксидных катализаторов окисления SO2 различных концентраций, включая характерные для выбрасываемых в атмосферу газов;
синтезирован железомедьоксидный катализатор, который по своей активности, температуро- и ядостойкости может эксплуатироваться в фильтрующем и кипящем режимах, не создавая проблемы утилизации по окончании жизненного цикла;
разработана природо-ресурсосберегающая технология полиоксидного катализатора, позволяющая использовать: 1) пылеунос катализатора, работающего в кипящем режиме, для повышения агрохимической ценности основной продукции; 2) часть колчеданного огарка в качестве ингредиента контактной массы; 3) образующиеся в процессе прокалки шихты SO2-содержащие газы для выработки дополнительного количества кислоты; 4) отработавший свой срок в режиме фильтрования катализатор как поставщика микроэлементов в почву;
разработана экологизированная технология совмещенного производства серной кислоты и сульфата аммония (с регулируемым количеством микроэлементов и катализатора) из углистых колчеданов с различным содержанием пиритной серы – основа энерго-углехимического комплекса;
разработаны рецептуры, способы получения и применения ионных и смесевых химических дезинфектантов на основе растворимых солей меди и серебра для повышения технико-экономической и экологической эффективности систем водоочистки, использующих гипохлорит натрия, пероксид водорода и озон;
разработаны технологические рекомендации по снижению поступления в окружающую среду экологически опасного хлора в процессе функционирования водоочистных сооружений, основанные на абсорбционных свойствах водных растворов аммиаката меди и пероксида водорода, полученных в рамках диверсификации угольной электроэнергетики;
разработаны технологии получения и рекомендации по эффективному с эколого-экономических позиций применению гомогенных и гетерогенных катализаторов разложения озона и пероксида водорода, способствующих одновременно существенному повышению биоцидной активности последних при меньших дозах и энергозатратах.
Результаты работы использованы ГУ»Южводпроект» (г. Ростов н/Д) и ФГУ «Управление «Ростовмелиоводхоз» при составлении программы комплексной химической мелиорации низкопродуктивных почв региона и разработке ресурсосберегающих технологий водоочистки.
На защиту выносятся:
обоснование геоэкологической целесообразности использования углистых колчеданов и пиритных концентратов – вторичных продуктов обогащения соответственно каменных и бурых углей – в качестве сырья для производства серной кислоты и азотного удобрения на ее основе;
обоснование с социально-экономических позиций целесообразности использования продуктов переработки топливной серы для масштабной сернокислотной мелиорации содовозасоленных почв и улучшения азотного питания культур, возделываемых на орошаемых землях Ростовской области;
рекомендации по использованию ряда промышленных отходов, содержащих оксиды железа, меди, цинка, марганца, в технологиях катализаторов, которые по окончании своего жизненного цикла могут быть использованы в качестве микроудобрений;
экологизированные технологии полиоксидных сернокислотных катализаторов, серной кислоты и сульфата аммония с регулируемым (в зависимости от потребности) количеством микроэлементов почвенного плодородия;
новое направление в технологии неорганических веществ – разработка катализаторов – активаторов процессов химико-биоцидной обработки воды хлорсодержащими препаратами, озоном и пероксидом водорода, применение которых повышает уровень ресурсо-энергосбережения и экологической безопасности соответствующих систем, особенно функционирующих на территориях с напряженной экологической обстановкой;
совокупность доказательств, обосновывающих социальную и экономическую результативность проекта сопряженной диверсификации предприятий углеобогащения и угольной электроэнергетики, которая базируется на реализации предлагаемых экологических нововведений и последующем применении получаемых продуктов (серной кислоты, азотного удобрения, абсорбентов и окислителей-дезинфектантов) для повышения эффективности земледелия региона а также технологий жизнеобеспечения населения.
Личный вклад соискателя: постановка проблемы, критический анализ литературных источников и формулирование основных идей, цели и определение направлений решения задач исследований, создание экспериментальной базы и проведение исследований; подготовка новых
технических решений, теоретическая и экспериментальная проверка; систематизация, обработка и анализ полученных результатов, обоснование и формулировка представленных научных положений и выводов.
Апробация работы. Основные положения работы доложены и обсуждены на Всероссийской НПК “Новое в экологии и безопасности жизнедеятельности” (г. С.-Петербург, 1999, 2000 гг.), международном экологическом конгрессе “ Новое в экологии и безопасности жизнедеятельности ” (г. Москва, 2000 г.), международных НПК ”Экологические проблемы регионов и федеральных округов” (г. Ростов н/Д, 2000 г.), “Современная техника и технологии в медицине и биологии” (г. Новочеркасск, 2001 г.), “Экологическая безопасность регионов России и риск от техногенных аварий и катастроф (г. Пенза, 2004 г.), “Экологическая безопасность жизнедеятельности” (г. Пенза, 2005 г.), “Проблемы энергосбережения и экологии в промышленности и ЖКХ” (г. Пенза, 2005 г.), VII международном научно-промышленном форуме “Великие реки” (г. Н. Новгород, 2005 г.), на международном конгрессе “Вода: экология и технология” (г. Москва, 2006 г.), XI международных научных чтениях МАНЭБ и научно-методической конференции по безопасности жизнедеятельности (г. Новочеркасск, 2007 г.).
Публикации. По результатам исследований опубликовано более 100 научных трудов, из которых 65 приведены в автореферате.
Объем и структура работы. Диссертация включает 8 глав общим объемом 404 страницы, в том числе 70 рисунков, 80 таблиц, список литературы из 410 наименований и приложения (45 с.).
