blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2022-4-246-253blackmet-2295Research ArticleЭКОЛОГИЯ И РАЦИОНАЛЬНОЕ ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИЕECOLOGY AND RATIONAL USE OF NATURAL RESOURCESПространственное распространение аэрозольных и пылевых техногенных выбросов во внешней зоне влияния металлургических предприятийSpatial distribution of aerosol and dust man-made emissions in external influence zone of metallurgical enterpriseshttps://orcid.org/0000-0001-7354-9879НуржановО. С.NurzhanovO. S.

Олег Сакенович Нуржанов, аспирант кафедры энергоэффективных и ресурсосберегающих промышленных технологий

Россия, 119049, Москва, Ленинский пр., 4

Oleg S. Nurzhanov, Postgraduate of the Chair “Energy-Efficient and Resource-Saving Industrial Technologies”

4 Leninskii Ave., Moscow 119049, Russian Federation

Za852@yandex.ruТороховГ. В.TorokhovG. V.

Геннадий Валерьевич Торохов, к.т.н., доцент, заведующий кафед­рой энергоэффективных и ресурсосберегающих промышленных технологий

Россия, 119049, Москва, Ленинский пр., 4

Gennadii V. Torokhov, Cand. Sci. (Eng.), Assist. Prof., Head of the Chair “Energy-Efficient and Resource-Saving Industrial Technologies”

4 Leninskii Ave., Moscow 119049, Russian Federation

gvtorohov@gmail.comЧерноусовП. И.ChernousovP. I.

Павел Иванович Черноусов, к.т.н., доцент кафедры энергоэффективных и ресурсосберегающих промышленных технологий

Россия, 119049, Москва, Ленинский пр., 4

Pavel I. Chernousov, Cand. Sci. (Eng.), Assist. Prof. of the Chair “Energy-Efficient and Resource-Saving Industrial Technologies”

4 Leninskii Ave., Moscow 119049, Russian Federation

p.chernou@yandex.ruЧезгановаД. В.ChezganovaD. V.

Дарья Владимировна Чезганова, аспирант кафедры цветных металлов и золота

Россия, 119049, Москва, Ленинский пр., 4

Dar’ya V. Chezganova, Postgraduate of the Chair of Non-Ferrous Metals and Gold

4 Leninskii Ave., Moscow 119049, Russian Federation

d.chezganova@gmail.comНациональный исследовательский технологический университет «МИСиС»РоссияNational University of Science and Technology “MISIS”Russian Federation202205052022654246253Copyright © Нуржанов О.С., Торохов Г.В., Черноусов П.И., Чезганова Д.В., 20222022Нуржанов О.С., Торохов Г.В., Черноусов П.И., Чезганова Д.В.Nurzhanov O.S., Torokhov G.V., Chernousov P.I., Chezganova D.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://fermet.misis.ru/jour/article/view/2295

В исследовании представлена методика расчета распространения пылевых и аэрозольных частиц, поступающих во внешнюю воздушную среду в результате техногенных выбросов предприятий металлургического цикла. В работе предложен способ прогнозирования степени загрязнения зон влияния предприятий посредством построения географических карт-схем промышленных регионов с нанесением на них областей с повышенным содержанием пылевых частиц. Метод базируется на определении времени седиментации частиц пыли разных фракций в атмосферном воздухе с помощью закона Стокса (движение твердых частиц в жидкой или газообразной средах), высоты вылета частиц пыли из дымовой трубы и скорости преобладающего ветра за исследуемый период времени. Необходимые для анализа данные (направление ветра, количество выбрасываемой пыли, ее фракционный и химический составы) найдены в открытых источниках, отчетах предприятия, статистических данных региона и металлургической промышленности. Проведен оценочный расчет распространения пылевых выбросов на примере предприятия ПАО «Магнитогорский металлургический комбинат» в течение различных годовых сезонов. Обнаружено, что влияние деятельности металлургического предприятия России может пагубно сказываться на городах и жителях соседних государств, которые находятся в зоне седиментации твердых пылевых частиц. Рассмотрен вопрос переноса серной и азотной кислот частицами пыли, которые образуются в порах частиц аэрозоля. Рассчитано количество кислоты, которое может быть вынесено в зоны влияния предприятия в порах твердых пылевых частиц. Рассматриваемая модель расчета позволяет относительно быстро и просто оценить зону влияния предприятия, оценить риски и принять меры по модернизации, оптимизации производственного процесса или систем аспирации.

The study presents the method for calculating the distribution of dust and aerosol particles entering the external air environment as a result of man-made emissions of metallurgical cycle enterprises. The paper proposes the method for predicting the degree of pollution of the enterprises influence zones by constructing geographical maps-schemes of industrial regions with application of the areas with a high content of dust particles on them. This method is based on determination of the sedimentation time of dust particles of different fractions in atmospheric air using Stokes’ law (motion of solid particles in liquid or gaseous media), the height of dust particles departure from the chimney and the speed of prevailing wind over the studied period of time. The data necessary for the analysis (wind direction, amount of dust emitted, its fractional and chemical compositions) were found in open sources, reports of the enterprise, statistical data of the region and the metallurgical industry. An estimated calculation of the spread of dust emissions was carried out on the example of the Magnitogorsk Iron and Steel Works PJSC (MMK) during various annual seasons. It was found that the influence of activity of a metallurgical enterprise in Russia can adversely affect cities and residents of neighboring states that are located in the sedimentation zone of solid dust particles. The issue of transfer of sulfuric and nitric acids by dust particles formed in the pores of aerosol particles is considered. The authors calculated the amount of acid that can be carried into the zones of influence of the enterprise in the pores of solid dust particles. The considered calculation model makes it relatively quick and easy to assess the influence zone of the enterprise, assess risks and take measures to  modernize, optimize the production process or aspiration systems.

техногенные выбросыметаллургияраспространениеаэрозолипыльtechnogenic emissionsmetallurgydistributionaerosolsdustReferencesHuo D., Liang J., Yang Y. Analysis of metallurgical raw materials and environmental protection. In: 5th Int. Conf. on Advanced Design and Manufacturing Engineering. Advances in Engineering Research. 2015. P. 2049–2052. https://doi.org/10.2991/icadme-15.2015.380Huo D., Liang J., Yang Y. Analysis of metallurgical raw materials and environmental protection. In: 5th Int. Conf. on Advanced Design and Manufacturing Engineering. Advances in Engineering Research. 2015, pp. 2049–2052. https://doi.org/10.2991/icadme-15.2015.380Neuberger M. Human health effects of aerosols // Advances of Atmospheric Aerosol Research in Austria. Interdisciplinary Perspectives. 2012. No. 2. P. 103–115.Neuberger M. Human health effects of aerosols. Advances of Atmospheric Aerosol Research in Austria. Interdisciplinary Perspectives. 2012, no. 2, pp. 103–115.World Health Organization. Health effects of particulate matter. Policy implications for countries in Eastern Europe, Caucasus and central Asia. 2013. 14 p.World Health Organization. Health effects of particulate matter. Policy implications for countries in Eastern Europe, Caucasus and central Asia. 2013, 14 p.Zhao L., Sun W., Li X., Ye Z., Huang J., Zhang G., Cai J. Assessment of particulate emissions from a sinter plant in steelmaking works in China // Environmental Monitoring and Assessment. 2017. Vol. 189. Article 368. https://doi.org/10.1007/s10661-017-6053-9Zhao L., Sun W., Li X., Ye Z., Huang J., Zhang G., Cai J. Assessment of particulate emissions from a sinter plant in steelmaking works in China. Environmental Monitoring and Assessment. 2017, vol. 189, article 368. https://doi.org/10.1007/s10661-017-6053-9Leimalm U., Lundgren M., Ökvist L.S., Björkman B. Off-gas dust in an experimental blast furnace. Part 1: Characterization of flue dust, sludge and shaft fines // ISIJ International. 2010. Vol. 50. No. 11. P. 1560–1569. https://doi.org/10.2355/isijinternational.50.1560Leimalm U., Lundgren M., Ökvist L.S., Björkman B. Off-gas dust in an experimental blast furnace. Part 1: Characterization of flue dust, sludge and shaft fines. ISIJ International. 2010, vol. 50, no. 11, pp.  1560–1569. https://doi.org/10.2355/isijinternational.50.1560Dormann M., Vanderheyden B., Steyls D. Advanced technique to reduce the emissions of particulate matter (PM) // Revue De Métallurgie. 2008. No. 105 (12). P. 586–595. https://doi.org/10.1051/metal:2009002Dormann M., Vanderheyden B., Steyls D. Advanced technique to reduce the emissions of particulate matter (PM). Revue De Métallurgie. 2008, no. 105 (12), pp. 586–595. https://doi.org/10.1051/metal:2009002Amit S.S., Sandip D.M., Tushar K., etc. Influence of atmospheric aerosols on health and environment-climate change // International Journal of Life Sciences. 2013. Special Issue. P. 115–120.Amit S.S., Sandip D.M., Tushar K., etc. Influence of atmospheric aerosols on health and environment-climate change. International Journal of Life Sciences. 2013, special issue, pp. 115–120.Ballester F., Medina S., Boldo E., Goodman P., Neuberger M., Iñiguez C., Künzli N. Reducing ambient levels of fine particulates could substantially improve health: A mortality impact assessment for 26 European cities // Journal of Epidemiology and Community Health. 2008. Vol. 62. No. 2. P. 98–105. https://doi.org/10.1136/jech.2007.059857Ballester F., Medina S., Boldo E., Goodman P., Neuberger M., Iñiguez C., Künzli N. Reducing ambient levels of fine particulates could substantially improve health: A mortality impact assessment for 26 European cities. Journal of Epidemiology and Community Health. 2008, vol. 62, no. 2, pp. 98–105. https://doi.org/10.1136/jech.2007.059857Shi X., Ma Y., Wang Q., Gao K., Liu X. Research on regional environmental pollution analysis technology based on atmospheric numerical model in Shenyang city // Communications in Computer and Information Science. 2016. Vol. 569. Р. 751–759. https://doi.org/10.1007/978-3-662-49155-3_77Shi X., Ma Y., Wang Q., Gao K., Liu X. Research on regional environmental pollution analysis technology based on atmospheric numerical model in Shenyang city. Communications in Computer and Information Science. 2016, vol. 569, pp. 751–759. https://doi.org/10.1007/978-3-662-49155-3_77Perry S.G., Heist D.K., Brouwer L.H., Monbureau E.M., Bri­xey L.A. Characterization of pollutant dispersion near elongated buildings based on wind tunnel simulations // Atmospheric Environment. 2016. Vol. 142. P. 286–295. https://doi.org/10.1016/j.atmosenv.2016.07.052Perry S.G., Heist D.K., Brouwer L.H., Monbureau E.M., Bri­xey  L.A. Characterization of pollutant dispersion near elongated buildings based on wind tunnel simulations. Atmospheric Environment. 2016, vol. 142, pp. 286–295. https://doi.org/10.1016/j.atmosenv.2016.07.052Levy J.I., Spengler J.D., Hlinka D., Sullivan D., Moon D. Using CALPUFF to evaluate the impacts of power plant emissions in Illinois: Mode sensitivity and implications // Atmospheric Environment. 2002. Vol. 36. No. 6. P. 1063–1075. https://doi.org/10.1016/S1352-2310(01)00493-9Levy J.I., Spengler J.D., Hlinka D., Sullivan D., Moon D. Using CALPUFF to evaluate the impacts of power plant emissions in Illinois: Mode sensitivity and implications. Atmospheric Environment. 2002, vol. 36, no. 6, pp. 1063–1075. https://doi.org/10.1016/S1352-2310(01)00493-9Barna M.G., Gebhart K.A., Schichtel B.A., Malm W.C. Modeling regional sulfate during the BRAVO study. Part 1. Base emissions simulation and performance evaluation // Atmospheric Environment. 2006. Vol. 40. No. 14. P. 2436–2448. https://doi.org/10.1016/j.atmosenv.2005.12.040Barna M.G., Gebhart K.A., Schichtel B.A., Malm W.C. Modeling regional sulfate during the BRAVO study. Part 1. Base emissions simulation and performance evaluation. Atmospheric Environment. 2006, vol. 40, no. 14, pp. 2436–2448. https://doi.org/10.1016/j.atmosenv.2005.12.040ОНД – 86. Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий. Л.: Гидрометеоиздат, 1987.OND – 86. Methodology for Calculating Concentrations in Atmospheric Air of Harmful Substances Contained in Enterprises Emissions. Leningrad: Gidrometeoizdat, 1987. (In Russ.).Stepanova L.P., Pisareva A.V., Tsukanavichute V.E. Toxicological assessment of the impact of metallurgical industry waste on the environmental properties of light gray forest soils // Ecolo­gy and Industry of Russia. 2020. No. 24. P. 54–59. https://doi.org/10.18412/1816-0395-2020-6-54-59Stepanova L.P., Pisareva A.V., Tsukanavichute V.E. Toxicological assessment of the impact of metallurgical industry waste on the environmental properties of light gray forest soils. Ecology and Industry of Russia. 2020, no. 24, pp. 54–59. https://doi.org/10.18412/1816-0395-2020-6-54-59Деева А.В. Анализ влияния газовых выбросов металлургических предприятий на концентрацию тропосферного озона: Автореф… дис. канд. техн. наук. М.: 2009. 18 c.Deeva A.V. Analysis of the effect of gas emissions from metallurgical enterprises on concentration of tropospheric ozone: Extended Abstract of Cand. Sci. Diss. Moscow, 2009, 18 p. (In Russ.).Вишнякова К.В., Петелин А.Л., Юсфин Ю.C. Распространение газовых выбросов металлургических предприятий в промышленных регионах // Известия вузов. Черная металлургия. 2009. № 1. С. 63–65.Vishnyakova K.V., Petelin A.L., Yusfin Yu.C. Distribution of gas emissions from metallurgical enterprises in industrial regions. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2009, vol. 52, no. 1, pp. 63–65. (In Russ.).Полулях Л.А., Петелин А.Л., Дашевский В.Я., Травянов А.Я., Юсфин Ю.С. Анализ возможности газификации фосфора в доменном процессе // Известия вузов. Черная металлургия. 2009. № 9. С. 29–31.Polulyakh L.A., Petelin A.L., Dashevskii V.Ya., Travyanov A.Ya., Yusfin Yu.S. Analysis of the possibility of phosphorus gasification in blast furnace process. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2009, vol.  52, no. 9, pp. 29–31. (In Russ.).Орелкина Д.И., Петелин А.Л., Полулях Л.А. Анализ пространственного распределения вторичных газовых выбросов во внешней зоне влияния предприятий черной металлургии // Известия вузов. Черная металлургия. 2015. Т. 58. № 11. С. 793–797. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2015-11-793-797Orelkina O.A., Petelin A.L., Polulyakh L.A. Analysis of the spatial distribution of secondary gas emissions in the outer influence zone of steel industry. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2015, vol. 58, no. 11, pp. 793–797. (In Russ.). https://doi.org/10.17073/0368-0797-2015-11-793-797Petelin A.L., Orelkina D.I., Polulyakh L.A., Kozlova O.N. The kinetics of the formation and propagation in the atmosphere of the secondary gas emissions of metallurgical enterprises // Ecology and Industry of Russia. 2016. Vol. 20. No. 9. P. 26–29. https://doi.org/10.18412/1816-0395-2016-9-26-29Petelin A.L., Orelkina D.I., Polulyakh L.A., Kozlova O.N. The kinetics of formation and propagation in the atmosphere of the secondary gas emissions of metallurgical enterprises. Ecology and Industry of Russia. 2016, vol. 20, no. 9, pp. 26–29. (In Russ.). https://doi.org/10.18412/1816-0395-2016-9-26-29Орелкина Д.И., Петелин А.Л., Полулях Л.А., Подгородец­кий Г.С. Модель расчета концентрации вторичных металлургических выбросов в атмосфере // Известия вузов. Черная металлургия. 2016. Т. 59. № 5. С. 300–305. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2016-5-300-305Orelkina D.I., Petelin A.L., Polulyakh L.A., Podgorodetskii G.S. Calculation model for the concentration of secondary metallurgical emissions into the atmosphere. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2016, vol. 59, no. 5, pp. 300–305. (In Russ.). https://doi.org/10.17073/0368-0797-2016-5-300-305Петелин А.Л., Деева А.В., Вишнякова К.В., Юсфин Ю.С. Анализ влияния выбросов предприятий черной металлургии на концентрацию атмосферного озона. Сообщение 1 // Известия вузов. Черная металлургия. 2008. № 5. С. 59–61.Petelin A.L., Deeva A.V., Vishnyakova K.V., Yusfin Yu.S. Analysis of the impact of emissions from ferrous metallurgy enterprises on concentration of atmospheric ozone. Report 1. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2008, vol. 51, no. 5, pp. 59–61. (In Russ.).Юсфин Ю.С., Леонтьев Л.И., Черноусов М.П. Промышленность и окружающая среда. М.: ИКЦ «Академкнига», 2004. 248 с.Yusfin Yu.S., Leont’ev L.I., Chernousov M.P. Industry and Environment. Мoscow: Akademkniga, 2004, 248 p. (In Russ.).Исидоров В.А. Экологическая химия. СПб.: «Химиздат», 2001. 304 с.Isidorov V.A. Ecological Chemistry. St. Petersburg: Khimizdat, 2001, 304 p. (In Russ.).Ровинский Ф.Я., Егоров В.И. Озон, окислы азота и серы в нижней атмосфере. Л.: Гидрометеоиздат, 1986. 183 с.Rovinskii F.Ya., Egorov V.I. Ozone, Nitrogen and Sulfur Oxides in Lower Atmosphere. Leningrad: Gidrometeoizdat, 1986, 183 p. (In Russ.).Физические величины. Справочник / А.П. Бабичев, Н.А. Бабушкина, А.М. Братовский и др. М.: Энергоатомиздат, 1991. 1232 с.Babichev A.P., Babushkina N.A., Bratovskii A.M., etc. Physical Quantities. Reference Book. Мoscow: Energoatomizdat, 1991, 1232  p. (In Russ.).Karklit A.K., Aboskalov A.N. Graphite from metallurgical dust // Refractories and Industrial Ceramics. 1998. vol. 39, no. 9-10. P. 334–336. https://doi.org/10.1007/BF02770596Karklit A.K., Aboskalov A.N. Graphite from metallurgical dust. Refractories and Industrial Ceramics. 1998, vol. 39, no. 9-10, pp.  334–336. https://doi.org/10.1007/BF02770596Zou C., Kang Y., Wang W., Wang Y., Shi R. Effects of Fe2O3 – CaO interactions in metallurgical dust on its catalytic activity for the carbon – oxygen reaction // Energy & Fuels. 2019. No. 33 (11). P. 11830–11840. https://doi.org/10.1021/acs.energyfuels.9b02374Zou C., Kang Y., Wang W., Wang Y., Shi R. Effects of Fe2O3 – CaO interactions in metallurgical dust on its catalytic activity for the carbon – oxygen reaction. Energy & Fuels. 2019, no. 33 (11), pp.  11830–11840. https://doi.org/10.1021/acs.energyfuels.9b02374Варенков А.Н., Костиков В.И. Химическая экология и инженерная безопасность металлургических производств. М.: «Интермет Инжениринг», 2000. 20 с.Varenkov A.N., Kostikov V.I. Chemical Ecology and Engineering Safety of Metallurgical Enterprises. Moscow: Intermet Inzheniring, 2000, 20 p. (In Russ.).Бокштейн Б.С. Диффузия в металлах. М.: «Металлургия», 1978. 247 с.Bokshtein B.S. Diffusion in Metals. Мoscow: Metallurgiya, 1978, 247 p. (In Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.