авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 || 5 |

Обоснование эколого-технологических положений системы обращения с отходами производства горнопромышленного региона

-- [ Страница 4 ] --

Положительные решения Государственной патентной экспертизы подтвердили, во-первых, новизну технических разработок, во-вторых, их экологическую рациональность, так как целью изобретения являлось решение природоохранных задач. По данным разработкам получено 17 авторских свидетельств и 10 патентов.

Сущность предлагаемых экологически рациональных технологий производства строительных материалов заключается в том, что разработанные новые составы и способы их изготовления обеспечивают следующее:

- выбросы в атмосферу газов снижаются, значительно уменьшается расход цемента, извести, гипса, качественных заполнителей;

- новые технологические схемы позволяют использовать отходы производства капролактама, доменные шлаки и шламы, гидроотвальную буроугольную золу, отходы производства мела и терриконов;

- все новые строительные материалы соответствуют требованиям нормативно-технической документации по ряду физико-механических и химических свойств.

Для различных строительных материалов разработаны технические условия (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.), технологические регламенты (Технологический регламент на производство камней бетонных стеновых СКЦ-1М 1991 г., Технологический регламент на производство ЧЦМ-1 1991 г. и др.), рекомендации (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.).

Для разработки физической модели и математического описания оптимизации процессов производства композиционных материалов из отходов был использован метод Минскера и Пиготта. В соответствии с этим методом для производственного цикла были построены структурные схемы, ориентированные графы и матрицы смежности и установлено, что задача оптимизации процесса переработки отходов и получения из них композиционных материалов может быть формально сведена к задаче математического программирования. В общем виде эту задачу можно записать как F(x) min, gi (x) 0, i=1,m, gj (x) 0, j = m+1, m+n, где F(x), gi(х), gj(х) функции составляющих вектора x = (х1, х2, х3, …, xn); m число ограничений, неравенств; n число уравнений. Если множество элементов вектора «x» разбивается на непересекающиеся подмножества, то целевая функция может быть представлена как монотонная функция аргументов, т.е. условие неубывания целевой функции F(x) свидетельствует о том, что ее минимум может быть обеспечен только при минимуме всех аргументов, входящих в эту функцию.

Рассматривая произвольную технологическую операцию, можно утверждать, что в первом приближении скорость изменения энергии процесса пропорциональна разности средних скоростей потребления и поступления энергии из внешних источников, что описывается уравнением:

(7)

где Еi общее количество энергии, затраченное на выполнение i-й операции; Кi константа скорости потребления энергии при выполнении i-й технологической операции; Е i предельное значение энергоемкости i-ой технологической операции.

Результаты вычислений с использованием данных зависимостей показывают, что полученные зависимости отношений энергозатрат к предельной энергоемкости от времени при различном значении коэффициента Кi, можно выразить как логарифм отношения энергий, т.е. ln[Е i /( Е i - Е i)] = = Кi t. Таким образом, целевая функция будет представлять собой линейные комбинации произведения констант Кi на длительность технологических операций ti, т.е. имеет место уравнение K1t1 + K2t2 + K3t3 + … + Kn tn = F min, что выражает каноническую форму задачи линейного программирования с исследованием целевой функции на глобальный минимум. Таким образом, основные результаты оптимизации технологических процессов получены в виде оптимальных длительностей операций каждого технологического цикла.

Анализ эколого-технологических решений показал, что взаимодействие газов с веществом бетона из отходов горных предприятий в процессе карбонизации или ократирования (рис. 6) 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.

Следовательно, процессы диффузионного переноса углекислого газа и фтористого кремния в бетоне из отходов горных предприятий необходимо учитывать при оценке экологической рациональности технологии производства такого материала. Математическая модель поля концентрации i-го газа в структуре такого материала имеет вид:

(8)

где Di – коэффициент эффективной диффузии; Гi – постоянная Генри для процесса сорбции i-го газа веществом строительного материала; ui(0) – начальная скорость сорбции i-го газа; сi(в) – концентрация i-го газа в газовой смеси на внешней поверхности строительного материала.

Результаты вычислений (рис. 7, 8) показывают, что концентрация и диффузионный поток газа, проникающий в пористую структуру бетона, стремятся к некоторому постоянному значению, которое достигается через достаточно длительное время. Численно это предельное значение можно определить по формуле:

, (9)

Рис. 6. Способ ократирования и карбонизации бетонных изделий

(на основании патента № 2114091 от 27.06.98)

где ji – диффузионный поток, проникающий в пористую структуру строительного материала.

В процессе карбонизации или ократирования часть газов выбрасывается в атмосферу. Математическая модель ократирования бетонных изделий из отходов горного производства и динамика изменения i-го газа в камере ократирования могут быть записаны следующим образом:

, (10)

(11)

где

Решение уравнения (10) для условий (11) получено в виде зависимости (12)

(12)

Результаты вычислительного эксперимента показаны на рис. 7.

 Графики изменения от времени при (ui(0)/Гi)104 1/c, равном: 1 – 1; 2 – 5; 3 – 10; 4 – 30; 5 –-22

Рис. 7. Графики изменения от времени при (ui(0)/Гi)104 1/c, равном:

1 – 1; 2 – 5; 3 – 10; 4 – 30; 5 – 50; 6 – 70;7 – 90; 8 – 100; 9 – 200; 10 – 400

Обобщение результатов вычислительного эксперимента позволило получить расчетную зависимость валовых выбросов газов ократирования в атмосферу для инженерных расчетов в следующем виде:

 (13) Графики изменения 2сi/ci(в) от координаты x при различных значениях-23 (13)

 Графики изменения 2сi/ci(в) от координаты x при различных значениях отношения-24

 Графики изменения 2сi/ci(в) от координаты x при различных значениях отношения-25

Рис. 8. Графики изменения 2сi/ci(в) от координаты x при различных

значениях отношения ui(0)/Гi: при (ui(0)/Гi)104 1/c равном 1 – 1; 2 – 20;

3 – 40; 4 – 60; 5– 80; 6 – 100 ; 7 – 200; 8 – 300; 9 – 400; 10 – 500.

 Графики изменения функции f1(t) при (ui(0)/Гi)104 1/c равном: 1 – 500; 2 – 400; 3 – 300; 4 – 200; 5-26

Рис. 9. Графики изменения функции f1(t) при (ui(0)/Гi)104 1/c равном:

1 – 500; 2 – 400; 3 – 300; 4 – 200; 5 – 100; 6 – 80; 7 – 60; 8 – 40

(14)

где Mi – масса валовых выбросов i-го газа, используемого при ократировании, в атмосферу, т/год; – объем камеры ократирования, м3; Nц – число циклов ократирования в течение года, 1/год.

Как отмечалось ранее, использование промышленных отходов и получение различных материалов на их основе должны оцениваться по долговременным экологическим показателям. К таким показателям можно отнести поглощение кислорода воздуха материалом и выделение продуктов их взаимодействия.

Процесс поглощения кислорода из воздуха помещений является следствием диффузионного газообмена между воздушными потоками и поверхностями стен, представляющими собой слой пористого сорбирующего материала.

Математические модели поля концентраций кислорода в полуограниченном слое композиционного материала, изготовленного из отходов горного производства, и объем кислорода, поступающего в поверхностный слой такого материала, получены в следующем виде:

(15)

(16)

где СВ – объемная концентрация кислорода в газовой смеси; D – коэффициент диффузии кислорода в пористом материале, м2/с; К – константа скорости сорбции кислорода, 1/с; ГК – угловой коэффициент линейного участка изотермы сорбции коислорода, м3/кг; – плотность материала, из которого сформовано изделие, м3/кг.

Анализ результатов вычислительного эксперимента свидетельствует о том, что теоретическая динамика поля концентраций кислорода в слое пористого сорбирующего материала может быть представлена в виде монотонно убывающих кривых, стремящихся с течением времени к стационарному распределению.

Расчетные значения средней теоретической скорости поглощения кислорода имеют вид кривых газового «истощения», но в то же время отличаются от них тем, что скорость поглощения кислорода убывает не до нуля, а до значения, заданного асимптотой . В результате поглощения кислорода поверхностью материалов возникают процессы окисления внутри материала с образованием газообразных продуктов и выделением их в помещение за счет диффузионного переноса.

Процесс выделения i-го газа в помещение можно описать так:

(17)

(18)

где ci – концентрация i-го газа в пористом материале; , i – кинетические коэффициенты диффузионного массообмена в строительном материале; qi  – источник образования газов в результате возможных химических реакций.

Решение краевой задачи (13) – (14) имеет вид:

(19)

Объем i-го газа Iуд.i, поступающего в помещение из слоя материала через единичную площадь поверхности его контакта с воздухом, определяется по формуле

, (20)

где m – пористость материала, из которого происходит выделение i-й газовой примеси.

Анализ результатов вычислительного эксперимента свидетельствует о том, что теоретическая динамика поля концентраций i-го газа в слое пористого сорбирующего материала может быть представлена в виде монотон­но убывающих кривых, стремящихся с течением времени к стационарному распределению. Закономерности динамики поглощения кислорода и газовыделений являются базовыми соотношениями для решения задач воздухообмена в помещении.

Для практических целей разработаны методические положения расчета воздухообмена по факторам поглощения кислорода и газовыделения из пористых строительных материалов, полученных из отходов горного производства.

Математические модели воздухообмена, определяемого по различным факторам, имеют вид:

- по фактору поглощения кислорода

, , (21)

, (22)

- по фактору выделения газов

, , (23)

, (24)

где ; - кратность воздухообмена по i-му газу, выделяющемуся в помещение; a, b – коэффициенты аппроксимации.

Вычислительные эксперименты позволили получить следующие формулы для расчета количества приточного воздуха в помещения, стены которых отделаны материалами, полученными из отходов горного производства в сочетании с отходами других отраслей промышленности:

- расчету воздухообмена по кислороду

(25)

- расчету воздухообмена по i-му газу

(26)

где - длительность химических реакций.

Рис. 10. Системный подход к разработке проектов обращения

с отходами производства с учетом задач устойчивого

развития горнопромышленного региона

Моделирование различных экологических ситуаций, возможных при использовании материалов, полученных из отходов горного производства, показало, что расчетные кратности воздухообмена по фактору поглощения кислорода изменяются от 1,47 до 5,14, по фактору выделения токсичных примесей от 1,48 до 4,07 в зависимости от типа помещений. В среднем эти значения превышают нормативные кратности воздухообмена по притоку на 28 – 70 %.

Обобщение результатов выполненных исследований по утилизации отходов производства на территории горнопромышленного региона показали, что основной проблемой экологически рационального управления горными предприятиями, высокочувствительными к инновациям, являются технологии использования вторичных ресурсов. Существенно возрастает значимость рационального выбора стратегии обращения с промышленными отходами, ориентированной на преодоление технологических разрывов в различных отраслях промышленности горнопромышленного региона. Это свидетельствует о существовании значимой внутренней обратной связи между управлением процессами технологических и организационных изменений в региональной системе обращения с отходами производства. Отсюда следует вывод о введении экологических критериев, определяющих экономическое преимущество в конкурентной борьбе. Практика использования разработанных технологий по утилизации отходов горной промышленности показала, что экологическая эффективность горного предприятия во многом зависит от способности к адаптации и изменениям внешней среды. При этом концептуальная установка по реструктуризации горного предприятия как деятельности геоэкологического характера, позволяет реализовать системный подход к разработке проектов обращения с отходами производства на любом уровне управления горнопромышленным регионом (рис. 10).

Основные научные и практические результаты диссертационной работы внедрены на горных предприятиях Тульской области и использованы природоохранительными 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 (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.) на производство материалов из отходов горной промышленности и отходов других отраслей промышленности. Теоретические результаты и технические решения включены в учебные курсы по охране окружающей среды и рациональному использованию природных ресурсов для студентов, обучающихся по направлению «Горное дело», а также использованы при выполнении договорных и госбюджетных НИР в Тульском государственном университете.

Заключение

На основании выполненных экспериментальных и теоретических исследований установлены новые и уточнены существующие закономерности использования отходов производства на территориях горнопромышленных регионов для разработки эколого-технологических положений системы комплексного обращения с промышленными отходами, позволяющие снизить техногенную нагрузку на окружающую среду и обеспечить рациональное использование вторичных минеральных ресурсов, что имеет важное значение для горной промышленности и экономики России.

Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем.



Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 || 5 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.