Безотходные технологии: формирование многоуровневых структур систем защиты окружающей среды

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.

1. Леонтьев Л.И., Дюбанов В.Г. Техногенные отходы черной и цветной металлургии и проблемы окружающей среды // Экология и промышленность России. 2011. № 4. С. 32–35.

2. 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.

3. Рогожников Д.А., Шопперт А.А., Логинова И.В. Экологические проблемы металлургического производства. Часть 1: Учебное пособие. Екатеринбург: Издательство УМЦ УПИ, 2017. 224 с.

4. 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/10.17073/0368-0797-2021-8-561-571

5. Большина Е.П. Экология металлургического производства: Курс лекций. Новотроицк: НФ НИТУ «МИСиС», 2012. 155 с.

6. 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/ijerph16061060

7. Шешуков 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/10.17073/0368-0797-2021-3-192-199

8. Беланов 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/10.17073/0368-0797-2018-12-987-992

9. Водолеев 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/10.17073/0368-0797-2017-10-792-797

10. Баркан 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.

11. 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.2016.12.009

12. Tsakiridis 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.2007.07.093

13. Santamaría 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.2015.12.121

14. Duan 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.7b01610

15. Matinde 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/v118n8a5

16. Горбатюк 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/10.17073/0368-0797-2020-6-451-457

17. Глушакова 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/10.17073/0368-0797-2021-4-292-301

18. Симонян 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/10.17073/0368-0797-2019-11-840-845

19. Huang 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.2019.04.0215

20. Liu 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.2018.05.009

21. Kurella 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/10.1080/10934529.2017.1281690

22. Gajdzik B., Wyciślik A. Assessment of environmental aspects in a metallurgical enterprise // Metalurgija. 2012. Vol. 51. No. 4. P. 537–540.

23. 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/C7EW00097A

24. Pinasseau 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/10.2760/407967

25. Каракеян 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.pdf

26. Хорошавин Л.Б., Беляков В.А., Свалов Е.А. Основы технологии переработки промышленных и твердых коммунальных отходов. Екатеринбург: УрФУ, 2016. 220 c.

27. 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.

28. 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.

29. ГОСТ Р 57702–2017. РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ. Обращение с отходами. Требования к малоотходным технологиям. Издание официальное. Москва: Стандартинформ, 2017.

30. 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.