Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Анализ влияния источников пыли горного производства на окружающую среду 10
1.1 Источники образования и выделения пыли на горнодобывающих и перерабатывающих предприятиях 10
1.2 Влияние пыли на компоненты природной среды 24
1.3 Климатическая характеристика района расположения предприятия 31
1.4 Характеристика предприятия как источника загрязнения атмосферы
1.4.1 источники пылевыделения на карьере «железный». 39
1.4.2 Источники пылевыделения на отвалах и открытых складах 46
1.4.3 Источники пылевыделения склада 49 маложелезистых руд и склада апатит-штаффелитовых руд
1.4.4 Объекты циклично-поточной технологии 50
1.4.5 Пылевыделение с поверхности хвостохранилищ... 53
1.5 Ранжирование основных источников пылевыделения по воздействию на селитебную территорию 59
Выводы к главе 1 64
Глава 2 Исследование способов пылеподавления на основе применения диспергированной жидкости на точечных и протяженных источниках пылевыделения 66
2.1 Анализ способов борьбы с пылевыделением и пылепереносом на горных предприятиях 66
2.2 Устройства пылеподавления диспергированной жидкостью 69
2.3 Анализ опыта применения пневмогидравлического распыления жидкости 72
2.4 Разработка нового устройства пневмогидравлического распыления жидкости в потоке сжатого воздуха 94
2.5 Моделирование процессов диспергирования жидкости в форсунке пылеподавления 98
2.6 Экспериметальные исследования формирования водного аэрозоля с использованием пнемогидравлической форсунки 119
2.7 Основные аспекты автоматизации работы систем круглогодичного пылеподавления точечных и протяженных источников пылевыделения 125
Выводы к главе 2 141
Глава 3 Исследование способов пылеподавления пляжных зон намывных техногенных массивов 142
3.1 Режим и особенности эксплуатации хвостохранилища оао «ковдорский гок» 142
3.2 Опенка структуры поверхности хвостохранилища 152
3.3 Существующие способы борьбы с пылью на намывных техногенных массивах 156
3.4 Использование аэрозольных пушек на площадных источниках пылевыделения 161
3.5 Передвижной комплекс аэрозольного пылеподавления 167
Выводы к главе 3 180
Глава 4 Эколого-экономическая опенка предложенных мероприятий 181
4.1 Укрупненная оценка величины предотвращенного ущерба 181
4.2 Оценка капитальных затрат на предложенные мероприятия при их внедрении 187
4.3 Оценка годовых эксплуатационных затрат при работе устройств пылеподавления 190
Вывод к главе 4 191
Заключение 193
Список литературы
- Климатическая характеристика района расположения предприятия
- Ранжирование основных источников пылевыделения по воздействию на селитебную территорию
- Разработка нового устройства пневмогидравлического распыления жидкости в потоке сжатого воздуха
- Опенка структуры поверхности хвостохранилища
Климатическая характеристика района расположения предприятия
В процессе исследований гранулометрического состава отложений по высоте насыпных техногенных массивов Ковдорского месторождения установлено, что более крупные обломки размером 2-5 мм и 1-2 мм скапливаются в нижних частях отвала, где количество их в пробах составляет 78 и 11 %, соответственно. В верхних частях отвала частичек размером 0,1-0,25 мм - 20 % от веса проб, а более мелкой пылящей фракции с размером частиц менее 0,1 мм -12 %.
Наибольший удельный вес в пробах занимает оксид кальция и диоксид кремния, содержание их составляет около 40-45 % и 30-34 % соответственно. Зафиксировано присутствие алюминия - 8-12 %, железа - 20-10 %, магния - 5-8 %, хрома - 0,5-1 % и некоторых других элементов.
Запыленность атмосферного воздуха, обусловленная процессами транспортирования пород, отвалообразования, эрозии отвалов и хвостохранилищ, пылевыми выбросами технологических производств приводит к загрязнению почвы пылью, в результате ее осаждения. Ухудшение качества почвы, понижение ее биологической ценности, способности к самоочищению.
Уровень воздействия пыли с техногенных массивов на состояние лесных экосистем можно оценить по среднему приросту древесины на 1 га и сохранности хвои в зависимости от удаленности техногенного массива (рисунки 1.24, 1.25). Анализ литературных источников [28, 30] показал, что в радиусе до 10 км наблюдается ежегодное снижение прироста древесины по сравнению с фоновым на 75 % с низкой (10-20 %) сохранностью хвои; в радиусе до 20 км - на 50-20 % с сохранностью хвои 50-90 %; в радиусе до 25-30 км - менее чем на 15 % с сохранностью хвои более 90 %.
Из присутствующих в воздухе примесей только пыль обладает выраженным кумулятивным воздействием на организм человека. Пыль обладает способностью накапливаться в организме с постепенным наложением первоначально незначительных изменений. Пылевые поражения легких относятся к распространенной форме патологии и занимают значительное место в общей структуре заболеваемости, что приводит к значительным социально-экономическим потерям [31].
Вредное действие пыли на организм человека зависит от вида пыли (ядовитая и неядовитая пыль), ее размеров и способов действия. Пыль, находящаяся в воздухе, может оказывать негативное действие на глаза человека, кожу и внутренние органы, попадая вместе с вдыхаемым воздухом. При действии на глаза она вызывает раздражение, сопровождающееся слезоточивостью, ослаблением зрения. Наиболее опасной является пыль негашеной извести, каменноугольного пека, карбида кальция, цемента, действие которой подобно действию щелочи.
Частицы пыли оседают на коже и даже проникают в нее, закупоривая отверстия сальных и потовых желез, вызывая этим воспаление кожи и нарушая процесс выделения пота. Воспалительные процессы усиливаются, если с пылью заносятся микробы и имеются места нарушений кожного покрова (царапины, порезы). При вдыхании запыленного воздуха часть пыли задерживается слизистой оболочкой дыхательных путей и вызывает воспалительные процессы носоглотки и бронхов. Наиболее опасной является пыль с острыми режущими краями, которая легко проникает в слизистую оболочку и травмирует ее. Пыль, попадая в легкие, оседает там, превращая с течением времени ткань в фиброзную (пневмокониоз), которая не участвует в процессе обмена кислорода и углекислого газа.
Наиболее вредными являются частицы крупностью менее 10 мкм, которые задерживаются верхними дыхательными путями, и частицы крупностью 0,5-5 мкм, которые проникают в легкие и задерживаются там. Эти частицы составляют обычно 40 - 70% взвешенных частиц. Частицы же крупностью менее 0,2-0,3 мкм проникают в легкие и удаляются обратно вместе с выдыхаемым воздухом.
Характерной особенностью воздействия пыли на организм человека является колебание ее концентрации и времени контакта, причем в значительных пределах. Полученные экспериментальные данные позволяют сделать вывод о том, что в таких условиях для организма наиболее опасен длительный контакт, например, с канцерогенной пылью при небольших концентрациях, по сравнению с кратковременным воздействием высоких доз [30].
Пыль, присутствующая в атмосфере обладает однонаправленным и комбинированным (в присутствии оксида углерода и оксидов азота) действием на органы дыхания. Кроме того, отмечено увеличение повреждающего действия пыли. Это объясняется тем, что в сочетании со свободной двуокисью кремния и содержащимися в самой пыли ядовитыми примесями (в частности, свинца, марганца и т.п.) газы, осаждающиеся на ее частицах, завершают формирование газоаэрозольных композиций с диаметром частиц 5-8 мкм. Величина задерживания таких частиц в органах дыхания составляет 40-60 %, что может приводить к раздражению и воспалению бронхиального эпителия.
Пыль оказывает влияние не только на легкие, но и проникает в кровь, оказывая вредное влияние на другие органы. Так, работами СМ. Генкина и П.П. Движкова установлено, что силикоз вызывает функциональные нарушения и изменения нервной и сосудистой системы, кровообращения, структуры белков и белкового обмена.
Предприятие ОАО «Ковдорский ГОК» является градообразующим, население 18 тысяч человек. Исходя из приведенной схемы расположения основных объектов (рисунок 1.15) предприятия и среднегодовой розы ветров, селитебная территория подвержена переносу загрязняющий веществ с отвала №1 при восточном и юго-восточном направлении ветра, с отвала №2 при восточном направлении ветра, с отвала №3 при северо-восточном направлении ветра, с карьера «Железный» при северо-восточном и восточном направлении ветра, с техногенного месторождения при северном и северо-восточном направлении, с промплощадки предприятий при северном и северо-восточном направлении ветра, с хвостохранилища при северо-западном и северном направлении ветра.
Таким образом, в зоне воздействия техногенных массивов наблюдается ухудшение показателей здоровья населения: снижение продолжительности жизни, увеличение заболеваемости (особенно органов дыхания у детей), врожденных патологий. В тоже время количественная оценка воздействия техногенных массивов на здоровье населения, как правило, затруднена вследствие их расположения на территориях промышленных предприятий, в свою очередь влияющих на показатели здоровья населения.
Ранжирование основных источников пылевыделения по воздействию на селитебную территорию
Борьба с пылью на предприятиях минерально-сырьевого комплекса может производиться на разных стадиях ее формирования: при образовании твердых частиц пылевой фракции в результате технологического процесса, при сдувании (взметывании) пылевых частиц, непосредственно в запыленном воздухе.
При этом уменьшение концентрации пыли в воздухе может достигаться различными путями: путем предотвращение образования пыли, путем осаждения пыли за счет процессов коагуляции, путем фильтрования и запыленного воздуха, путем вентиляции - разжижение и удаление пылевого облака из атмосферы.
Выделено четыре направления борьбы с пылью (рисунок 2.1) на горных предприятиях: организационные, технологические, технические и биологические. Каждый из них может быть реализован в комплексе с другими, а системность решения конкретных задач обосновывается экономическими, энергетическими, санитарно-гигиеническими или экологическими критериями [18].
Организационные способы направлены на оптимизацию производственных процессов, связанных с режимом ведения горных работ, и имеющие в своем составе технологическую и природную составляющие.
Технологические способы пылеподавления представляют собой мероприятия по рационализации технологии и процессов, модернизации средств труда и применению новой техники.
Классификация способов борьбы с пылью [18] Технические способы пылеподавления, прежде всего, связаны с применением технических средств, снижающих пылеобразование и пылевыделение, и подавляющих пылевыделение. Все они могут быть разделены на два вида: мокрые и сухие.
Биологические способы пылеподавления связаны с применением материалов, имеющих органическую основу (биогенные способы), а также использование живой природы (биоценотические способы).
Несмотря на значительные масштабы проведенных исследований в области снижения пылевыделения и пылепереноса и предложенных конструктивных решений, практические результат достаточно скромны в связи с тем, что недостаточно внимания уделено аспектам повышения эффективности и работоспособности предложенных устройств, а также, рационализации их работы.
В этой связи поиск рациональных средств и способов снижения пылегазовых выбросов в атмосферу, как и прежде, актуальная задача. Здесь наиболее перспективными и технологичными [49, 50] являются мокрые способы, реализуемые в процессе увлажнения пылеобразующего сырья и пылящего материала, орошения витающей пыли растворами и связывания жидкими (гелеобразными) веществами.
Особый интерес представляют мокрые способы управления пылевыми выбросами на всех стадиях процесса с использованием эффектов фазовых переходов «пар - жидкость - лед».
Анализ научных исследований и технических решений, направленных на снижение пылевыделения в условиях открытых горных работ показал, что основным способом борьбы с пылью на точечных и протяженных источниках пылеподавления является гидрообеспыливание (орошение), то есть улавливание и осаждение твердых частиц пыли каплями жидкости [51].
Наряду с определенными успехами, достигнутыми в реализации этого способа пылеподавления, сохраняется нерешенной важная научная задача, заключающаяся в необходимости раскрытия механизмов и закономерностей, позволяющих повысить его эффективность и снизить эксплуатационные затраты, а также, повышение работоспособности устройства в условиях отрицательной температуры воздуха.
Главным элементом подобных систем является распылитель (ороситель). Распылители различных типов применяются для снижения пылевой нагрузки на компоненты природной среды на точечных и протяженных источниках при транспортировке полезного ископаемого конвейерным, автомобильным и железнодорожным транспортом, на автомобильных дорогах, в пунктах перегрузки сырья, в приемных бункерах дробилок и так далее. На площадных источниках пылевыделения этот способ пылеподавления применяется значительно реже. Специфика использования водяного пылеподавления в большинстве случаев определяется технологическим процессом, осуществляемым в месте пыления.
Согласно анализу источников пылевыделения ОАО «Ковдорский ГОК» одними из основных вкладчиков в ухудшение состояния воздуха селитебной территории является объекты циклично-поточной технологии: щековые дробилки, перегрузочные пункты, участки ленточного конвейера, узел разгрузки, экскаватор и временный склад.
Источники выброса для условий Ковдорского ГОКа можно разделить (согласно классификации, приведенной в главе 1) на стационарные относительно фронта ведения работ (относительно возможности расширения карьера, увеличения площади отвала), стационарными относительно времени цикла (дробилки, участки конвейера и перегрузочные пункты). Пыление на всех источниках за исключением насыпи ЦПТ не зависит от наличия снежного покрова.
Разработка нового устройства пневмогидравлического распыления жидкости в потоке сжатого воздуха
Повышение общего уровня автоматизации производства, централизации управления технологическими процессами и постепенный перенос функций текущего мониторинга с персонала на системы автоматического наблюдения, тем не менее, слабо отражен в реализации систем пылеподавления на современных производствах.
Управления процессами пылеподавления, как правило, не привязано к пункту диспетчеризации предприятия или централизованному пульту управления на производственной площадке, а осуществляется работниками непосредственно в месте расположения пылящего объекта.
На ряде технологических процессов, как правило, реализована «жесткая» привязка работы систем обеспыливания к работе оборудования. Тем не менее, как было установлено в главе 1, в условиях предотвращения пылевого загрязнения атмосферы селитебных территорий на состояние воздуха оказывается влияние значительно большее количество, как внешних, так и внутренних параметров. Учет этих параметров позволяет, как повысить эффективность работы известных устройств пылеподавления, так сделать целесообразный применение новых устройств при обеспечении нормативного качества воздуха.
В настоящий момент одной из приоритетных задач является повышение экономической эффективности использования устройств пылеподавления [91, 92]. Совершенствование конструкций распылителей с целью уменьшение расхода воды, сжатого воздуха, снижение требований к качеству используемой воды, повышения эффективности распыления является одним из аспектов сокращении затрат при использовании устройств. Другими аспектами являются [93]: - обеспечение работоспособности устройств в широком диапазоне температур, в том числе в условиях околонулевой и отрицательной температуре воздуха без снижения показателей работы распылителей; - уменьшение негативного воздействия на эффективность пылеподавления внешней ветровой нагрузки и ветровой нагрузки, создаваемой самими устройствами распыления жидкости; - возможность регулировки параметров работы устройства распыления при его износе без замены самого устройства; - возможность отключения системы пылеподавления при остановке работы пылящего объекта; - возможность регулирования количества используемых распылителей в зависимости от интенсивности пыления. Стоит отметить, что все вышеперечисленные факторы подразумевают возможность управления в автоматическом режиме с возможностью переключения в ручной режим управления при нештатных ситуациях.
В ходе разработки мероприятий по обеспечению вышеперечисленных требований предлагаемые решения для их обеспечения решено свести в единую автоматизированную систему. Применительно к объектам предприятия ОАО «Ковдорский ГОК» предложена система автоматизированного пылеподавления. В качестве примера рассмотрен наиболее сложный для борьбы с пылью объект - участок конвейера ЦПТ [94]. Автоматизированная система круглогодичного пылеподавления, представленная на рисунке 2.33, состоит из четырех подсистем [95]: 1. система подачи вода; 2. система подачи сжатого воздуха; 3. система кабельного обогрева; 4. система управления.
Основными элементами системы пылеподавления являются пневмогидравлические форсунки Фі-Фп, расположенные над лентой конвейера в специальном бункере пылеподавления. Бункер пылеподавления представляет собой закрытый корпус, в передней и задней части которого имеются отверстия, через которые проходит лента конвейера, высота отверстий определяется высотой насыпи транспортируемого материала на ленте. Дополнительно бункер может быть оснащен специальными шторами, закрывающими отверстия при отсутствии транспортируемого материала на ленте. Высота бункера выбирается по типу используемых форсунок, на основе учета расстояния от форсунки до зоны формирования оптимального водного аэрозоля. Для пневмогидравлических форсунок, предложенных в разделе 2.2 необходимая высота бункера будет составлять 2 м.
Количество используемых форсунок определяется шириной ленты и диаметров получаемого аэрозольного факела. Для предлагаемого типа форсунок при диаметре факела 1 м и ширине ленты конвейера 1 м минимальное число количество распылителей составит одну штуку. В зависимости от количества транспортируемого материала и его пылевыделения количество форсунок может быть увеличено путем добавления форсунок.
Процесс пылеподавления при данной схеме будет происходить на поверхности пылящего материала проходящего на ленте конвейера через бункер, таким образом, осуществляется смачивание материала и предотвращение его пыления в течение оставшегося пути. Бункер в свою очередь обеспечивает предотвращение распространения водного аэрозоля и пыли за пределы зоны пылеподавления, повышая общую эффективность работы системы.
Располагать бункер рекомендуется в начале участка конвейера, при возможности бункер пылеподавления может быть объединен с изолирующим бункером узла пересыпа на конвейер.
Система подачи воды к форсункам состоит из емкости с жидкостью, магистралей подачи воды, запорного и регулировочного электромагнитных клапанов. Запорный клапан используется для отключения подачи воды в случае отсутствия транспортируемого материала на ленте конвейера или остановке самого конвейера. Регулировочный клапан используется для регулирования давления воды в системе с целью корректировки работы форсунок при изменении температуры воздуха и возникновении износа проходных каналов форсунок.
Система подачи сжатого воздуха состоит из компрессора, магистралей подачи воздуха, запорного и регулировочного электромагнитных клапанов. Запорный клапан, аналогично, используется для отключения подачи воздуха, регулировочный - для регулирования давления воздуха.
Форсунки и магистрали подвода воды оснащены системой кабельного обогрева, обеспечивающей предотвращение их обледенения и замерзания при отрицательной температуре окружающей среды. Система кабельного обогрева, также, включает реостат, обеспечивающий регулировку температурной мощности кабеля системы кабельного обогрева в зависимости от температуры окружающей среды, выключатель для включения/отключения системы.
Опенка структуры поверхности хвостохранилища
При укрупненной оценке прогнозируемой величины предотвращенного ущерба для территории, подвергающейся техногенному воздействию, в целом в качестве оцениваемой группы источников рассмотрены два основных источника пылевы деления на предприятии: объектов циклично-поточной технологии и хвостохранилище.
Расчет проведен с использованием методики В.И. Данилова-Данильяна Временная методика определения предотвращенного экологического ущерба, Москва, 1999 [101].
Для определения величины предотвращенного ущерба предлагается использовать усредненные расчетные значения экономического ущерба на единицу приведенной массы атмосферных загрязнений (удельные ущербы) для основных экономических районов РФ (формула 4.1)
Работа систем пылеподавления на объектах циклично-поточной технологии и хвостохранилище, обеспечивает стабильное пылеподавления с эффективностью 95%. Пылеподавление объектов конвейерного транспортирования производится круглогодично. Пыление хвостохранинилища наблюдается только в отсутствии постоянного снежного покрова, когда намыв осуществляется тремя совмещенными пульповыпусками, поэтому система работает 6 месяцев в году. Результаты расчета приведенной массы выбросов пыли представлены в таблице 4.1.
Таблица 4.1 - Результаты расчета приведенной массы выбросов загрязняющих веществ, соответственно на начало и конец расчетного периода Рассматриваемый объект квЭ1 N т", т/год т", т/год М", усл.т/год M2fl, усл.т/год Пыль неорганическая с содержанием Si02 менее 20% Объекты циклично-поточной технологии 2,7 1 367,5 т/год 18,4 т/год 992,3 усл.т/год 49,7 усл.т/год Хвостохранилище 205,7 т/год 10,3 т/год 555,39 усл.т/год 27,8 усл.т/год Результаты расчета предотвращенного эколого-экономического ущерба представлены в таблице 4.2. 183 Таблица 4.2 - Результаты расчета предотвращенного ущерба от воздействия на атмосферный воздух Рассматриваемый объект Vа" удг Ка J Vапрг Северныйэкономическийрегион Северный экономический регион Объекты циклично-поточнойтехнологии 35,6 руб/усл.т 1,4 107,2 5036 тыс. руб/год Хвостохранилище 2818 тыс. руб/год Сумма 7854 тыс. руб/год Оценка величины предотвращенного в результате природоохранной деятельности ущерба от деградации почв и земель производится по следующей формуле 4.3 ynnpd=Hc-S-K3-Kn, (4.3)
Хвостохранилище Повышенный уровень заболеваемости и смертности населения загрязненного города приводит, помимо социального, к значительному экономическому ущербу, складывающемуся из: - расходов на лечение, включая амбулаторное и стационарное; - снижения дохода в бюджет из-за повышенного уровня смертности населения в дотрудоспособном и трудоспособном возрастах. Сумма составляющих экономического ущерба в целом оценивалась по формуле 4.4 У=У3+УСМ, (4.4) где У3 - экономический ущерб, связанный с повышенным уровнем заболеваемости, руб.; Усм - экономический ущерб, связанный с повышенным уровнем смертности, руб. При определении экономического ущерба учитывался временный или стойкий характер нарушений здоровья, в связи с чем он рассчитывался на весь ожидаемый период проявления неблагоприятного эффекта, а для необратимых изменений - на всю ожидаемую продолжительность жизни.
Экономический ущерб, причиняемый группам граждан в связи с каждым видом заболевания (У3), представляет собой сумму расходов и потерь по следующим статьям: - расходы на все виды лечения, в том числе амбулаторное и стационарное; - расходы на оплату листков нетрудоспособности из средств социального страхования заболевшим или лицам, отвлеченным от производственной деятельности по уходу за больными членами семьи; - расходы на пенсионное обеспечение в случаях назначения пенсии по болезни; - потеря доли налоговых поступлений в территориальные бюджеты и отчислений во внебюджетные фонды из-за временной или стойкой нетрудоспособности работающих.
Из данного перечня статей расходы на лечение оценивались для двух возрастных групп населения, поскольку три других статьи ущерба рассчитываются в основном на работающее население. Ниже представлены результаты оценки финансовых потерь только по расходам на лечение.
Дополнительные расходы на лечение (Ул), связанные с более высоким уровнем заболеваемости для всех групп граждан, рассчитывались по формуле 4.5 [102]
Наиболее неблагоприятным последствием вредного влияния промышленности на здоровье населения, естественно, является повышенный уровень смертности. Расчет потерь вследствие преждевременной смерти в дотрудовом и трудовом периоде жизни (Усм) производился по следующим формулам 4.6 - для случаев детской смертности и 4.7 - для случаев смертности взрослого населения [102]
Расчет капитальных затрат на предложенную систему автоматизированного пылеподавления на объектах циклично-поточной технологии включает в себя затраты на приобретение компрессорной станции, магистралей подвода воды и сжатого воздуха, электромагнитных клапанов, пневмогидравлических форсунок, блока управления, модуля связи с пунктом диспетчеризации предприятия, блоков бесперебойного питания, пылемера, линейных активных извещателей, пылемера и метеометра. Также, рассчитаны затраты на изготовление бункеров пылеподавления и монтаж системы на пунктах пересыпа, приемных бункерах дробилок и в точке разгрузки конвейера во временный склад. Расчет суммы капитальных затрат на изготовление и установку комплекса приведен в таблице 4.7.
Движение предложенного комплекса аэрозольного пылеподавления на хвостохранилище осуществляется по рельсовому пути общей длиной 4,6 км. В качестве подсыпки предлагается использовать породу, используемую при строительстве автодорог на предприятии. Путь не предусматривает оснащение упорными устройствами. Результаты расчета капитальных вложений на материалы для укладки рельсового пути представлены в таблице 4.4.
В перспективе последующего увеличения высоты хвостохранилища и изменения границ полей намыва (что вызовет необходимость перекладки пути) затраты на рельсовый материал будут исключены в связи с тем, что проектная скорость и частота перемещения комплекса по пути не вызовет сверхнормативной степени износа и рельсовое полотно может быть использовано повторно [103].