blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2022-5-365-373blackmet-2311Research ArticleВ ПОРЯДКЕ ДИСКУССИИIN ORDER OF DISCUSSIONБезотходные технологии: формирование многоуровневых структур систем защиты окружающей средыZero-waste technologies: formation of multilevel structures of environmental protection systemshttps://orcid.org/0000-0001-5956-567XСоколовА. К.SokolovA. K.

Анатолий Константинович Соколов, д.т.н., профессор кафедры безопасности жизнедеятельности

Россия, 153003, Иваново, ул. Рабфаковс­кая, 34

Anatolii K. Sokolov, Dr. Sci. (Eng.), Professor of the Chair of Life Safety

34 Rabfakovskaya Str., Ivanovo 153003, Russian Federation

sokolov@bjd.ispu.ruИвановский государственный энергетический университет имени В.И. ЛенинаРоссияIvanovo State Power University named after V.I. LeninRussian Federation202221052022655365373Copyright © Соколов А.К., 20222022Соколов А.К.Sokolov A.K.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/2311

Техническую и технологическую базу безотходных технологий в основном представляют системы защиты окружающей среды (СЗОС), которые позволяют организовать рециклинг отходов в техносферу, а не загрязнять ими окружающую среду. В статье дан краткий обзор работ, посвященных методам и технологиям утилизации отходов черной металлургии. Показано, что простые схемы, в которых не организованы взаимосвязи между устройствами защиты окружающей среды от твердых, жидких и газообразных отходов, не могут обеспечить необходимую степень безотходности производства. Высокую степень безотходности в общем случае могут создать только комплексные многостадийные, многоуровневые системы переработки сырья и утилизации отходов, включающие устройства и технологии обработки потоков отходов в различных фазовых состояниях. Проектирование таких систем должно начинаться со стадии описания выходных потоков веществ и энергии из технологических установок и формирования вариантов структур, принципов действия (технологий) и оборудования (устройств) элементов системы, из которых будет выбираться оптимальный вариант. Цель оптимизации системы защиты – минимизация массы отходов, направляемых в окружающую среду, обеспечивая экологическую и производственную безопасность с учетом технико-экономических ограничений на возможность реализации выбранной структуры СЗОС. Предложена процедура формирования структуры системы, включающей производство, устройства защиты окружающей среды, природную (окружающую) среду. Взаимосвязи между элементами системы представлены потоками энергии и масс веществ. Приведен пример организации структуры системы, включающей взаимосвязанные подсистемы обработки (очистки, обезвреживания и др.) газов, сточных вод и твердых отходов. Отмечено, что на выходе устройств СЗОС в общем случае могут сформироваться выходные потоки веществ, которые в зависимости от их свойств (опасности, полезности и фазового состояния) могут быть направлены в окружающую среду, в устройства защиты следующего уровня (ступени), а также в производство для замещения сырья или получения продукции. Рассмотрен пример организации структуры комплексной многоступенчатой и многоуровневой системы защиты окружающей среды от выбросов, включающей подсистемы отработки вторичных отходов в газообразном, жидком и твердом состояниях. Предложенная процедура формирования структур систем защиты окружающей среды может применяться для других отраслей производства.

Zero-waste technologies are technically and technologically based mainly on environmental protection systems (EPS). Such systems help to arrange waste recycling into the technosphere rather than polluting the environment. The article gives a brief review of the methods and technologies of ferrous metallurgy waste recycling. Simple patterns in which the interrelations between devices for environmental protection against solid, liquid and gaseous wastes are not arranged, cannot provide the necessary level of zero-waste production. Only integrated multistage, multilevel systems of raw materials processing and waste recycling, including devices and technologies for processing of waste flows in various phase states, can create a high degree of zero-waste production. The design of such systems startswith the description of outgoing substances and energy flows from process plants, the formation of structural variants, operating principles (technologies) and equipment (devices) of system components. It is from these that the optimal variant will be chosen. The purpose of optimizing a protection system is to minimize the mass of waste sent into the environment. This provides for environmental and industrial safety, and takes into account the technical and economic constraints on the possibility of implementing the selected EPS structure. The study proposes a procedure for forming the structure of the system, including production, environmental protection devices, and the natural environment.  Interrelations between the system components are represented by energy flows and masses of substances. The study also proposes an example of arranging the system structure including interrelated subsystems for processing (treatment, decontamination, etc.) of gases, wastewater and solid waste. EPS devices in general can form outgoing flows of substances, which, depending on their properties (hazard, usefulness and phase state), can be directed to the environment, to the next level (stage) protection devices, as well as to production for replacing raw materials or obtaining products. An example of organizing the structure of an integrated multistage and multilevel system of environmental protection against emissions, including subsystems for treating secondary waste in gaseous, liquid and solid states, is considered. The proposed procedure for forming the environmental protection system structures can be applied to other industries.

безотходность производстваэкологическая безопасностькомплексные системы защиты окружающей средысистемный анализформирование структурывзаимосвязиобработка потока веществzero-waste productionenvironmental safetyintegrated environmental protection systemsystem analysisstructure formationrelationssubstance flow processingReferencesЛеонтьев Л.И., Дюбанов В.Г. Техногенные отходы черной и цветной металлургии и проблемы окружающей среды // Экология и промышленность России. 2011. № 4. С. 32–35.Leont’ev L.I., Dyubanov V.G. Technogenic waste of ferrous and non-ferrous metallurgy and environmental problems. Ekologiya i promyshlennost’ Rossii. 2011, no. 4, pp. 32–35. (In Russ.).Ярошенко Ю.Г., Гордон Я.М., Ходоровская И.Ю. Энергоэффективные и ресурсосберегающие технологии черной металлургии / Под редакцией Ю.Г. Ярошенко. Екатеринбург: ООО «УИПЦ», 2012. 670 с.Yaroshenko Yu.G., Gordon Ya.M., Khodorovskaya I.Yu. Energy-Efficient and Resource-Saving Technologies of Ferrous Metallurgy. Yaroshenko Yu.G. ed. Yekaterinburg: Izdatel’stvo UIPTs, 2012, 670  p. (In Russ.).Рогожников Д.А., Шопперт А.А., Логинова И.В. Экологические проблемы металлургического производства. Часть 1: Учебное пособие. Екатеринбург: Издательство УМЦ УПИ, 2017. 224 с.Rogozhnikov D.A., Shoppert A.A., Loginova I.V. Environmental Problems of Metallurgical Production. Part 1: Manual. Yekaterinburg: Izdatel’stvo UMTs UPI, 2017, 224 p. (In Russ.).Глушакова О.В., Черникова О.П. Влияние предприятий черной металлургии на качество атмосферного воздуха как экологичес­кой составляющей устойчивого развития территорий. Сообщение 2 // Известия вузов. Черная металлургия. 2021. Т. 64. № 8. С. 561–571. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2021-8-561-571Glushakova O.V., Chernikova O.P. Influence of ferrous metallurgy enterprises on atmospheric air quality as an ecological component of territories sustainable development. Report 2. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2021, vol. 64, no. 8, pp. 561–571. (In Russ.). https://doi.org/10.17073/0368-0797-2021-8-561-571Большина Е.П. Экология металлургического производства: Курс лекций. Новотроицк: НФ НИТУ «МИСиС», 2012. 155 с.Bol’shina E.P. Ecology of Metallurgical Production: Lectures. Novotroitsk: NUST MISiS, 2012, 155 p. (In Russ.).Ferronato N., Torretta V. Waste mismanagement in developing countries: A Review of Global Issues // International Journal of Environmental Research and Public Health. 2019. Vol. 16. No. 6. Article 1060. http://doi.org/10.3390/ijerph16061060Ferronato N., Torretta V. Waste mismanagement in developing countries: A Review of global issues. International Journal of Environmental Research and Public Health. 2019, vol. 16, no. 6, article 1060. http://doi.org/10.3390/ijerph16061060Шешуков О.Ю., Егиазарьян Д.К., Лобанов Д.А. Безотходная переработка ковшевого и электропечного шлака // Известия вузов. Черная металлургия. 2021. Т. 64. № 3. С. 192–199. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2021-3-192-199Sheshukov O.Yu., Egiazar’yan D.K., Lobanov D.A. Wasteless processing of ladle furnace and electric arc furnace slag. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2021, vol. 64, no. 3, pp. 192–199. (In Russ.). https://doi.org/10.17073/0368-0797-2021-3-192-199Беланов И.П., Наумова Н.Б., Семина И.С., Савенков О.А. Шлаки металлургического производства – перспективный материал для рекультивации техногенных отходов // Известия вузов. Черная металлургия. 2018. Т. 61. № 12. С. 987–992. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2018-12-987-992Belanov I.P., Naumova N.B., Semina I.S., Savenkov O.A. Metallurgical production slags – promising material for technological waste reclamation. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2018, vol. 61, no. 12, pp. 987–992. (In Russ.). https://doi.org/10.17073/0368-0797-2018-12-987-992Водолеев А.С., Андроханов В.А., Бердова О.В., Юмашева Н.А., Черданцева Е.С. Экологически безопасная консервация отходов железорудного обогащения // Известия вузов. Черная металлургия. 2017. Т. 60. № 10. С. 792–797. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2017-10-792-797Vodoleev A.S., Androkhanov V.A., Berdova O.V., Yumasheva N.A., Cherdantseva E.S. Environmentally safe storage of wastes from iron-ore enrichment. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2017, vol. 60, no. 10, pp. 792–797. (In Russ.). https://doi.org/10.17073/0368-0797-2017-10-792-797Баркан М.Ш., Березовский П.В. Технологические и эколого-экономические аспекты утилизации твердых отходов предприя­тий черной металлургии // Экология и промышленность России. 2011. № 7. С. 48–51.Barkan M.Sh., Berezovskii P.V. Technological and ecological-economic aspects of solid waste disposal of ferrous metallurgy enterprises. Ekologiya i promyshlennost’ Rossii. 2011, no. 7, pp. 48–51. (In Russ.).Skaf M., Manso M.J., Aragon A., Fuente-Alonso J.A., Ortega-López V. EAF slag in asphalt mixes: A brief review of its possible re-use // Resources, Conservation and Recycling. 2017. Vol. 120. P. 176–185. https://doi.org/10.1016/j.resconrec.2016.12.009Skaf M., Manso M.J., Aragon A., Fuente-Alonso J.A., Ortega-López V. EAF slag in asphalt mixes: A brief review of its possible re-use. Resources, Conservation and Recycling. 2017, vol. 120, pp.  176–185. https://doi.org/10.1016/j.resconrec.2016.12.009Tsakiridis P.E., Papadimitriou G.D., Tsivilis S., Koroneos C. Utilization of steel slag for Portland cement clinker production // Journal of Hazardous Materials. 2008. Vol. 152. No. 2. P. 805–811. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2007.07.093Tsakiridis P.E., Papadimitriou G.D., Tsivilis S., Koroneos C. Utilization of steel slag for Portland cement clinker production. Journal of Hazardous Materials. 2008, vol. 152, no. 2, pp. 805–811. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2007.07.093Santamaría A., Rojí E., Skaf M., Marcos I., Gonzalez J.J. The use of steelmaking slags and fly ash in structural mortars // Construction and Building Materials. 2016. Vol. 106. P. 364–373. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2015.12.121Santamaría A., Rojí E., Skaf M., Marcos I., Gonzalez J.J. The use of steelmaking slags and fly ash in structural mortars. Construction and Building Materials. 2016, vol. 106, pp. 364–373. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2015.12.121Duan W., Yu Q., Wang Z. Comprehensive analysis of the coal particle in molten blast furnace slag to recover waste heat. Energy and Fuels. 2017. Vol. 31. No. 8. P. 8813–8819. https://doi.org/10.1021/acs.energyfuels.7b01610Duan W., Yu Q., Wang Z. Comprehensive analysis of the coal particle in molten blast furnace slag to recover waste heat. Energy and Fuels. 2017, vol. 31, no. 8, pp. 8813–8819. https://doi.org/10.1021/acs.energyfuels.7b01610Matinde E., Simate G.S., Ndlovu S. Mining and metallurgical wastes: a review of recycling and re-use practices // Journal of the Southern African Institute of Mining and Metallurgy. 2018. Vol. 118. No. 8. P. 825–844. https://doi.org/10.17159/2411-9717/2018/v118n8a5Matinde E., Simate G.S., Ndlovu S. Mining and metallurgical wastes: a review of recycling and re-use practices. Journal of the Southern African Institute of Mining and Metallurgy. 2018, vol.  118, no. 8, pp. 825–844. https://doi.org/10.17159/2411-9717/2018/v118n8a5Горбатюк С.М., Макаров П.С., Сухорукова М.А. К вопросу об экологической эффективности газоочистки и золоулавливания в горно-металлургической отрасли РФ // Известия вузов. Черная металлургия. 2020. Том 63. № 6. С. 451–457. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2020-6-451-457Gorbatyuk S.M., Makarov P.S., Sukhorukova M.A. Environmental efficiency of gas purification and ash collection in Russian mining and metallurgical industry. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2020, vol.  63, no. 6, pp. 451–457. (In Russ.). https://doi.org/10.17073/0368-0797-2020-6-451-457Глушакова О.В., Черникова О.П. Влияние предприятий черной металлургии на качество атмосферного воздуха как экологичес­кой составляющей устойчивого развития территорий. Сообщение 1 // Известия вузов. Черная металлургия. 2021. Т. 64. № 4. C. 292–301. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2021-4-292-301Glushakova O.V., Chernikova O.P. Influence of ferrous metallurgy enterprises on atmospheric air quality as an ecological component of territories sustainable development. Report 1. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2021, vol. 64, no. 4, pp. 292–301. (In Russ.). https://doi.org/10.17073/0368-0797-2021-4-292-301Симонян Л.М., Демидова Н.В. Изучение поведения диоксинов и фуранов в процессе удаления цинка и свинца из пыли ДСП // Известия вузов. Черная металлургия. 2019. Т. 62. № 11. C. 840–845. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2019-11-840-845Simonyan L.M., Demidova N.V. Dioxins and furans’ behavior in the process of zinc and lead removing from EAF dust. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2019, vol. 62, no. 11, pp. 840–845. (In Russ.). https://doi.org/10.17073/0368-0797-2019-11-840-845Huang Y., Su W., Wang R., Zhao T. Removal of typical industrial gaseous pollutants: From carbon, zeolite, and metal-organic frameworks to molecularly imprinted adsorbents // Aerosol and Air Qua­lity Research. 2019. Vol. 19. No. 9. P. 2130–2150. https://doi.org/10.4209/aaqr.2019.04.0215Huang Y., Su W., Wang R., Zhao T. Removal of typical industrial gaseous pollutants: From carbon, zeolite, and metal-organic frameworks to molecularly imprinted adsorbents. Aerosol and Air Quality Research. 2019, vol. 19, no. 9, pp. 2130–2150. https://doi.org/10.4209/aaqr.2019.04.0215Liu J., Zhu F., Ma X. Industrial application of a deep purification technology for flue gas involving phase-transition agglo­meration and dehumidification // Engineering. 2018. Vol. 4. No. 3. P. 416–420. https://doi.org/10.1016/j.eng.2018.05.009Liu J., Zhu F., Ma X. Industrial application of a deep purification technology for flue gas involving phase-transition agglomeration and dehumidification. Engineering. 2018, vol. 4, no. 3, pp. 416–420. https://doi.org/10.1016/j.eng.2018.05.009Kurella S., Bhukya P.K., Meikap B.C. Removal of H2S pollutant from gasifier syngas by a multistage dual-flow sieve plate column wet scrubber // Journal of Environmental Science and Health – Part A Toxic/Hazardous Substances and Environmental Engineering. 2017. Vol. 52. No. 6. P. 515–523. https://doi.org/10.1080/10934529.2017.1281690Kurella S., Bhukya P.K., Meikap B.C. Removal of H2S pollutant from gasifier syngas by a multistage dual-flow sieve plate column wet scrubber. Journal of Environmental Science and Health – Part A Toxic/Hazardous Substances and Environmental Engineering. 2017, vol. 52, no. 6, pp. 515–523. https://doi.org/10.1080/10934529.2017.1281690Gajdzik B., Wyciślik A. Assessment of environmental aspects in a metallurgical enterprise // Metalurgija. 2012. Vol. 51. No. 4. P. 537–540.Gajdzik B., Wyciślik A. Assessment of environmental aspects in a metallurgical enterprise. Metalurgija. 2012, vol. 51, no. 4, pp. 537–540.Peng Wu, Lan Ying Jiang. Treatment of metallurgical industry wastewater for organic removal in China: Status, challenges, and perspectives // Environmental Science: Water Research & Techno­logy. 2017. Vol. 3. No. 6. P. 1015–1031. https://doi.org/10.1039/C7EW00097APeng Wu, Lan Ying Jiang. Treatment of metallurgical industry wastewater for organic removal in China: status, challenges, and perspectives. Environmental Science: Water Research & Techno­logy. 2017, vol. 3, no. 6, pp. 1015–1031. https://doi.org/10.1039/C7EW00097APinasseau A., Zerger B., Roth J., Canova M., Roudier S. Best available techniques (BAT) reference document for waste treatment // Industrial Emissions Directive 2010/75/EU (Integrated Pollution Prevention and Control). https://doi.org/10.2760/407967Pinasseau A., Zerger B., Roth J., Canova M., Roudier S. Best avai­lable techniques (BAT) reference document for waste treatment. Industrial Emissions Directive 2010/75/EU (Integrated Pollution Prevention and Control). https://doi.org/10.2760/407967Каракеян В.И. Экономика природопользования: Учебник для академического бакалавриата. Москва: Издательство Юрайт, 2016. 478 с. URL:http://urait.ru/uploads/pdf_review/5857A386-8AA5-4AA8-A539-6FD08DD53884.pdfKarakeyan V.I. Economics of Environmental Management: Textbook. Moscow: Yurait, 2016, 478 p. Available at URL: http://urait.ru/uploads/pdf_review/5857A386-8AA5-4AA8-A539-6FD08DD53884.pdf (In Russ.).Хорошавин Л.Б., Беляков В.А., Свалов Е.А. Основы технологии переработки промышленных и твердых коммунальных отходов. Екатеринбург: УрФУ, 2016. 220 c.Khoroshavin L.B., Belyakov V.A., Svalov E.A. Fundamentals of Technology of Industrial and Municipal Solid Waste Processing. Yekaterinburg: UrFU, 2016, 220 p. (In Russ.).Подгородецкий Г.С., Шульц Л.А. Современные направления развития и повышения энерго-экологической эффективности черной металлургии // Экология и промышленность России. 2016. Т. 20. № 4. С. 46–52.Podgorodetskii G.S., Shul’ts L.A. Modern directions in development and improvement of energy-ecological efficiency of ferrous metallurgy. Ekologiya i promyshlennost’ Rossii. 2016, vol. 20, no. 4, pp. 46–52. (In Russ.).Мещеряков С.В., Музафаров Е.Н., Шувалов Ю.А., Марьев В.А. О задачах объединенной информационноаналитической системы наилучших доступных технологий // Экология и промышленность России. 2012. № 10. С. 44–46.Meshcheryakov S.V., Muzafarov E.N. Shuvalov Yu.A. Mar’ev  V.A. On integrated information and analytical system of the best avai­lable technologies. Ekologiya i promyshlennost’ Rossii. 2012, no.  10, pp.  44-46. (In Russ.).ГОСТ Р 57702–2017. РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ. Обращение с отходами. Требования к малоотходным технологиям. Издание официальное. Москва: Стандартинформ, 2017.GOST R 57702-2017. Resource saving. Waste management. Requirements for low-waste technologies. Moscow: Standartinform, 2017. (In Russ.).Соколов А.К. Совершенствование и оптимизация нагрева металла в газовых печах методом математического моделирования. Иваново: ФГБОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина», 2012. 256 с.Sokolov A.K. Improvement and Optimization of Metal Heating in Gas Furnaces by Mathematical Modeling. Ivanovo: Ivanovskii gosudarstvennyi energeticheskii universitet imeni V.I. Lenina, 2012, 256 p. (In Russ.).

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