Ru Ua En

Зуєва Юлія Сергієвна

Факультет: Екології й хімічних технологій

Кафедра корисних копалин та екологічної геології

Спеціальність: Екологічна геологія

Тема випускної роботи:
Екологічні наслідкі коксохімічної промисловості(на прикладі Авдіївського коксохімічного заводу)

Керівник: доктор геологічних наук  Волкова Т.П.

Автореферат

        Актуальність
        Підприємства коксохімічної промисловості тісно пов'язані з вугільною промисловістю, а також з металургійною промисловістю, тому більша частина підприємств цих галузей знаходиться в Донецькій області.         Цей тісний зв'язок забезпечує більшу частину катастрофічної екології Донецького регіону. Надзвичайно важливим фактором, що істотно впливає на територіальну організацію соціально-економічного життя і ефективність виробництва, є екологічна обстановка. В останні десятиліття в Україні вона суттєво погіршилася. Одним з основних факторів, що вплинули на екологічну обстановку, є використання коксохімічної промисловістю застарілих технологій.
        Коксохімія - одна з галузей промисловості, яка значно забруднює навколишнє середовище. У Донецькій області інфраструктура коксохімічної промисловості представлена 7 великими підприємствами з 13 функціонуючих на Україні: ВАТ «Авдіївський коксохімічний завод», ВАТ «Донецьккокс», ВАТ «Маркохім», ВАТ «Єнакіївський коксохімічний завод», ВАТ «Макіївський коксохімічний завод», ВАТ «Ясиновський коксохімзавод», АТЗТ «Коксан»[1]. Склад викидів відрізняється широким спектром забруднювачів. Процес виробництва коксу супроводжується утворенням твердих і рідких відходів, стічних вод і газоподібних викидів в атмосферу, що є джерелами забруднення навколишнього середовища.
        Тривалий моніторинг забруднення навколишнього середовища біля підприємств коксохімічного виробництва показав нестабільність його розподілу, як у просторі, так і в часі. Тому дослідження зміни екологічної ситуації на коксохімічних заводах, як складової частини промислового навантаження в Донбасі є дуже актуальним.

        Ідея роботи. Головними чинниками погіршення екології коксохімічного виробництва є якість вугілля і нестабільність роботи підприємств.

        Метою роботи є вивчення взаємозв'язку складу та інтенсивності забруднення від технології переробки та якості вугілля.

        Завдання роботи
1. Вивчення залежності складу й обсягу викиду по стадіям технологічного процесу коксохімічного виробництва.
2. Оцінка внеску кожного джерела викиду в сумарному забрудненні навколишнього середовища коксохімічним заводом.
3. Дослідження розподілу сірки у вугіллі.
4. Вивчення якості вугілля що надходить на підприємство.
5. Розробка рекомендацій щодо зниження екологічних наслідків коксохімічного виробництва.

        Об'єкт наукового дослідження
        Авдіївський коксохімічний завод належить до числа найбільших коксохімічних підприємств Європи, який входить в десятку найбільш небезпечних екологічних підприємств Донецької області.

        Предметом досліджень є екологічна оцінка якості сировини для коксохімічної промисловості.

        Наукова цінність (новизна) роботи
        Наукова цінність роботи полягає у зв'язку викидів коксохімічного підприємства з якістю вугілля, яке надходить з Донецького вугільного басейну.

        Практичне значення роботи
        Результати роботи можуть бути використані в навчальному процесі, а також на коксохімічних підприємствах для оцінки якості вугілля і екологічних наслідків його використання.

        Апробація результатів роботи
        VII міжнародна науково-практичної конференція-виставка «Екологічні проблеми індустріальних мегаполісів». Доповідь на тему: Вплив коксохімічного виробництва на навколишнє середовище.

        Публікації: підготовлена до публікації стаття «Основні джерела забруднення навколишнього середовища коксохімічним виробництвом».

        Огляд стану досліджень з даної теми
        Охорона навколишнього середовища від забруднення шкідливими викидами коксохімічних підприємств в даний час стала однією з найважливіших проблем.
        Технічні напрямки в проектуванні коксохімічних підприємств крім економічних і технологічних проблем, покликані вирішувати завдання ефективного захисту повітряного басейну. Ці чинники враховуються як при проектуванні, так і при розширенні (реконструкції) діючих коксохімічних виробництв.
        Процес виробництва коксу, уловлювання та переробка хімічних продуктів супроводжуються утворенням твердих і рідких відходів, стічних вод і газоподібних викидів в атмосферу, що є джерелами забруднення навколишнього середовища.
        Основним напрямком у вирішенні проблеми захисту навколишнього середовища є вдосконалення технологічних процесів з доведенням їх до безвідходного або маловідхідного виробництва. Проте, враховуючи, що існуюча технологія коксування збережеться в найближчі роки, основним завданням із захисту навколишнього середовища в коксохімічному виробництві є виведення з експлуатації застарілих агрегатів і устаткування та заміни їх сучасними, оснащеними ефективними природоохоронними установками.
        У книзі «Технологія коксохімічного виробництва» Г.Д. Харламовіча, А.А. Кауфмана дані уявлення про наукові основи коксохімічного виробництва, принципи створення і проектування оптимальних технологій, перспективи розвитку коксохімії, особливості та напрями ефективної експлуатації основних меж коксохімічного підприємства і принципи підбору умов такої оптимальної експлуатації.
        У книзі «Технологія коксохімічного виробництва» Р.Є. Лейбович, Є.І. Яковлєва викладені основи технології коксохімічного виробництва. Розглянуто сировинна база коксування, властивості кам'яного вугілля і технологічні схеми підготовки вугілля при коксуванні, включаючи їх збагачення. Наведено основні дані про отримання вугільної шихти і коксу постійної якості, технології уловлювання та переробки хімічних продуктів, одержуваних з вугільної шихти при її коксуванні в сучасних вугільних печах. Розглянені питання охорони навколишнього середовища.
        На склад викидів впливає якість вугілля, що надходить на коксохімічні заводи.
        В. Я. Довгий, О. А. Кривченко, В. А. Довга розглядали, показники якості вугілля (зольність, вологість, сірчистість, вихід летких речовин, теплота згорання), видобутих на шахтах України. Вони відзначили, що основною проблемою якості вугілля, що надходять на виробництво, є високий вміст в них сірки.
        Вивченню генезису, змісту і розподілу сірки присвячені роботи Кізільштейна Л.Я., Юдовича Я.Е. та інші. Вони відрізняють наявність декільких груп елементів, у тому числі і сірки, які концентруються в різних частинах вугілля.
        Вивченням сірчаного колчедану (піритної сірки) займалися Клер В.Г., Дорофєєв А.П., Румянцева О.Г. та інші.
        Робота С. Г. Аронова висвітлює питання використання для коксування донецьких газових і довгополуменевого вугілля. У роботі розглядаються процеси термічного розкладання вугілля і утворення коксу, газу і хімічних продуктів коксування. Узагальнення даних приводить до висновку про доцільність і великої народногосподарської ефективності застосування газових і довгополуменевого вугілля для коксування.
        Робота О.З. Юровського присвячена встановленню взаємозв'язку між різновидами сірки (загальної, органічної та колчеданної). Підтверджено, що у малосірчистому вугіллі кількість органічної сірки перевищує кількість колчеданної. Із збільшенням змісту колчеданової сірки підвищується і кількість сірки органічної, але темпи наростання останньої помітно більш повільні. У вугіллі многосерністих і високосірчистих колчеданна сірка виразно домінує над органічної сіркою.
        Г.П. Пушкарьов, В.Д. Тин розглядали заходи щодо зниження забруднення навколишнього середовища в коксохімічному виробництві, а саме:
- Впровадження глибокої очистки газу від сірководню, з метою забезпечення допустимих концентрацій на кордоні санзони;
- Будівництво установок біохімічного очищення фенольних вод, для зменшення викидів в атмосферу при гасінні коксу;
- Сухе гасіння коксу, при якому значно скорочується число забруднюючих інгридієнтів.
        Огляд робіт з питань збагачення вугілля дозволив встановити, що сьогодні велика увага приділяється виявленню причин утворення піритної сірки і робляться спроби її вилучення.

        Методика досліджень
        1. Характеристика технологічного процесу коксування вугілля, виявлення забруднень на кожній стадії
        2. Обробка даних якісного складу вугілля, яке надходить на коксохімічне підприємство
        3. Дослідження розподілу сірки у вугіллі

        Отримані результати
        На Авдіївський КХЗ надходить рядове вугілля марок ДГ, Г, Ж, К, ОС і П з різних вугленосних районів Донбасу, вміст сірки яких коливається у великих межах - від 0,7 до 5,2% (табл.1).

        Табл. 1. Якісні показники вугілля, яке надходить на Авдіївський КХЗ

        Основною властивістю коксівного вугілля є спекаємость. Це - здатність вугілля при нагріванні без доступу повітря утворювати з розрізнених зерен твердий залишок. Ця властивість визначається за допомогою спеціального показника - товщина пластичного шару, вимірюється в мм. Розрахунок цього показника для визначення марки вугілля виконують пластометріческім методом (метод Сапожнікова Л.М. та Базилевич Л.П.) [2].
        Найбільш високий показник коксівності мають вугілля марки Ж (товщина пластичного шару 25-35мм). Вони є головним компонентом шихти, забезпечуючи гарну спекаємость і міцність коксу. Однак при підвищеному їх утриманні кокс виходить мелкокусковий. Вугілля марки К, також характеризуються хорошою спекаємостью. Товщина пластичного шару складає 18-24 мм. Коксові вугілля в шихті надають коксу високу механічну міцність і однорідну кусковатость. Отощенно-спікливе вугілля (марка ОС) - одна з кращих охлялих компонентів у коксових шихтах. Товщина пластичного шару становить 6-12 мм. Для газового вугілля (марка Г) характерна невелика товщина пластичного шару 10-15мм. Застосування газового вугілля в шихті коксохімічних заводів, що виробляють металургійний кокс, підвищує кінцеву усадку коксового пирога і сприяє легку видачу його з печі, а також збільшує вихід газу і хімічних продуктів. При підвищеному вмісті газового вугілля в шихті вихід коксу зменшується. Вугілля довгополуменеве газове (марка ДГ) є перехідними між вугіллям марок Д і Г. Від довгополуменевого вугілля воно відрізняється наявністю спекаємості (товщина пластичного шару 6-9 мм), а від газового - більш незначною крихкістю і підвищеною механічною міцністю. Вугілля марки ДГ відносять до групи енергетичного вугілля. Для участі у коксових шихта вони мало придатні, тому що кокс який утворюється відрізняється низькою механічною міцністю і підвищеною реакційною здатністю. Довгополуменеве вугілля (марка Д) не спікається або має невелику спекаємость (у = 0-5 мм) та відноситься до енергетичного вугілля. Вугілля пісне (марка П) характеризується відсутністю спекаємості.
        Зміна товщини пластичного шару від марок вугілля показано на рис. 1.

                

                Рис. 1. Залежність товщини пластичного шару від марки вугілля

 

        Дозування вугілля різних марок має велике значення для подальшого складання вугільної шихти заданого складу. Співвідношення марок вугілля в шихті залежить від якості виплавляємої руди. Для отримання високоякісного коксу необхідно виробляти шихтовку (змішуючи вугілля марок ДГ, Г, Ж и ОС). Подрібнення шихти проводиться для підвищення її однорідності, що сприяє поліпшенню якості коксу. При цьому отощеннє спікливе вугілля є отощаюшім компонентом шихти, що знижує тріщинуватість коксу, сприяє збільшенню його крупності.
        Після шіхтованія вугілля ДГ, Г, Ж и ОС суміш повинна мати вміст сірки не більше 2,2%. Це досягається шляхом шихтування в межах однієї марки. Таким чином, якість одержуваної шихти для коксування залежить не тільки від точного дозування компонентів шихти, але і від якості вугілля (сірчистість, зольність).
        Основною екологічною проблемою при використанні вугілля є вміст сірки. Це є і одним з найважливіших критеріїв придатності вугілля для коксування. У шихті вміст сірки не повинен перевищувати 2,2%.
        У вугіллі Донецького басейну вміст сірки коливається в широких межах. Малосірчисту (Stf 1,5%) среднекарбонове вугілля поширено переважно в південно-західній частині басейну, в центральних і північних районах переважають сірчисті (Stf 2,5-3,5%) і високосірчисті (більше 3,5%) вугілля [3] .
        Розрізняють такі різновиди сірки у вугіллі: сульфатна, колчедану (піритна), органічна та елементарна. Сульфатна сірка у вугіллі Донецького басейну міститься в невеликій кількості (до 0,2%). Вона представлена головним чином сульфатом кальцію (CaSO4) і в невеликій кількості сульфатом заліза (FeSO4) та інших металів. Зустрічаються сульфати у вигляді тонких плівок по площинах нашарування вугілля.         Піритна (колчеданна) сірка - основний вид мінеральної сірки у вугіллі, на її частку в середньому припадає 62% від загального вмісту сірки. Пірит є включенням у вугіллі у вигляді домішок, доступних для збагачення механічним способом. Форми включень піриту у вугільні пласти різні. Пірит, що утворився в період угленакоплення, розподілений по вугільний речовині рівномірно, в тонкодисперсної формі і, як правило, пов’язан з органічною масою вугілля. Пірит, що утворився після припинення процесу угленакоплення шляхом інфільтрації, розподілений по тріщинах всихання грубодисперсно, локалізовано - у вигляді лінз, жовна, зерен, гнізд [4]. Органічна сірка рівномірно розподілена по всій вугільній речовині, її неможливо виділити. При збагаченні діапазон змісту органічної сірки у вугіллі 0,3-0,5%, але зустрічається 2,5-3%. Таке буває навіть у межах одного шару на прилеглих ділянках. Це говорить про те, що органічна сірка утворилася не тільки за рахунок сірки вихідного рослинного матеріалу. Вважають, що джерелами освіти вторинної сірки була елементарна сірка, яка при відповідних умовах переходила на складову вугілля.
        А. З. Юровський встановив наступну залежність між змістами загальної та піритної сірки у вугіллі Донецького басейну (за умови утримання загальної сірки не більше 5%):

                                                Sпір = - 0,38 + 0,737 Sобщ

        Загальна кількість сірки у вугіллі розподіляється майже порівну між піритною та органічною сіркою, а питома кількість сульфатної сірки не перевищує 10-15% від загальної сірки [5]. У вугіллі малосірчистому кількість органічної сірки перевищує кількість колчеданної. Із збільшенням змісту колчеданної сірки підвищується кількість сірки органічної, але темпи наростання змісту останньої помітно більш повільні. У вугіллі многосерністих і високосірчистих колчеданна сірка виразно домінує над органічної [6].
        Технологічний процес виробництва коксу і уловлювання хімічних продуктів коксування на Авдіївському КХЗ включає наступні стадії (анімація):
        - Підготовчу;
        - Термічну;
        - Уловлююча і переробна.

         Рис. 2. Технологічний процес виробництва кокса и уловлювання хімічних продуктів коксування. GIF-анімація, 8 кадрів,   зациклене повторення, 7,5 кб

        Кожна стадія має як спільні з іншими, так і характерні тільки для неї забруднюючі речовини (табл.2).

        Табл. 2. Елементи забруднювачі по стадіях технологічного процесу

        

        На підготовчій стадії готується шихта для коксування. Після прийому вугілля в вуглепідготовчий цеху проводиться усереднення складу та збагачення вугілля. Тут же здійснюється складання та подрібнення шихти.
З метою стабілізації якості виробляється усереднення складу вугільної шихти.
        Збагачення вугілля для зниження вмісту в них мінеральних домішок проводиться методами відсадження, сепарації і флотації. Методом відсадження збагачується до 50% вугілля, флотації - 15%, сепарації - 35%. При переробці вугілля на збагачувальних фабриках досягається значне зниження сірки: до 20% при збагаченні на концентраційних столах і до 20-22% на відсадочних машинах. В основному видаляється колчедану сірка, що міститься в многосерністому вугіллі, причому максимальний ефект знесірчювання дають вугілля марки Ж.
        У вугіллі Донецького басейну переважна кількість піриту представлено зернами розміром до 15 мк, тому при збагаченні фізичними методами, використовуваними в промисловому масштабі (відсадження, тяжелосредние сепаратори, гідроциклони, протиточних сепарація та ін), зниження вмісту сірки в концентратах невелика. Для глибокого збагачення по сірці необхідне розкриття лірітних зерен шляхом дроблення вугілля до 3 мм і менше. Ефективне збагачення за сірці подрібненого вугілля здійснюється тільки при таких методах збагачення, які забезпечують точність підтримки щільності розподілу і чіткість розділення дрібних класів. Таким вимогам відповідають хіміко-гравітаційний і відцентровий методи десульфурації, проте вони відрізняються складною технологією, великою енергоємністю і високою собівартістю.
        Крім того, існують хімічний та бактеріологічний методи знесірчювання вугілля. Хімічні методи, засновані на дії окислювальних і рідше відновних агентів, призводять до перекладу сірки в газоподібні або розчинні у водних середовищах продукти. Наприклад, пароповітряної обробка при 200-350 ° С вугілля Донбасу переводить 55% початкової кількості сірки в SO, з домішкою SO. Під дією водних розчинів окислювачів (наприклад, азотна кислота) з вугілля витягуються практично всі неорганічні та понад 70% органічних сполук сірки.         Помітна ступінь знесірчювання вугілля досягається при бактеріологічному вилуговуванні хемоавтотрофними мікроорганізмами - до 90% піритної сірки [4]. Проте ці методи в нас не застосовуються, через їхню дорожнечу.
        Для забезпечення якомога більш високої щільності завантаження шихти витримують оптимальну ступінь подрібнення в шихті. Воно досягається за двома схемами:
        - подрібнюється вся маса шихти;
        - враховується різна твердість подрібнюємого матеріалу, при цьому кожен компонент шихти подрібнюється окремо.
        Завершальною операцією приготування вугільної шихти для коксування є змішання компонентів, що здійснюється в змішувальних машинах різної конструкції. Якщо в процесі шіхтованія відбувається тільки усереднення вмісту сірки у вугіллі, то його зниження здійснюється на всіх етапах виробничого циклу «збагачення - коксування - доменна плавка».
        При цьому в атмосферу виділяється пил, з димових труб гаража розморожування - діоксид сірки, оксиди азоту, оксид вуглецю.
        На термічній стадії вугільна шихта піддається розкладанню в коксових печах, куди подається зворотний коксовий газ в суміші з повітрям. Найбільш інтенсивної по забрудненню атмосфери є стадія гасіння коксу, на якій додатково виділяється пил, діоксид сірки, сірководень, ціаністий водень, оксиди азоту, оксид вуглецю, феноли, аміак і бенз (а) пірен.
        Парогазова суміш, яка виділяється з летких продуктів (до 25% від маси вугілля) відводиться через газосборнік для уловлювання і переробки.
На стадії уловлювання коксовий газ, що виділяється в процесі коксування шихти, послідовно проходить відділення конденсації і охолодження коксового газу, аміачно-сульфатне і бензольне відділення, в яких вловлюються піридин, аміак, бензол, феноли, ціаністий водень. При цьому ці ж речовини виділяються з воздушек апаратів і ємностей зазначених відділень цехів уловлювання і потрапляють в атмосферу.
        На стадії переробки зі смоли, що утворюється в основному при пірогенетичному розкладанні первинної смоли в процесі коксування, при послідовному нагріванні та випаровуванні відбираються поглинальна, фенольна, нафталінова, антраценова фракції. При цьому в атмосферу виділяються пари бензолу, фенолу, сірководню, нафталіну.
        Промислове використання коксового газу вимагає очищення від сірководню вакуум-карбонатним способом, в спеціальних цехах. При цьому в атмосферу виділяються діоксид сірки, сірководень, ціаністий водень, бензол, фенол.
        На ВАТ «Авдіївський коксохімічний завод» встановлено велику кількість джерел викидів забруднюючих речовин в атмосферне повітря, їх поділяють на організовані і неорганізовані. Організовані викиди забруднюючих речовин - це газоходи, повітропроводи, заводські труби, спеціально відведені від стаціонарних джерел забруднення. Основне забруднення надходить з організованих джерел. Неорганізованими є викиди, що виникають у результаті негерметичності технологічного обладнання, газовідвідних пристроїв, відкритих джерел.
        Постійним моніторингом що проводиться підприємством встановлено, що в атмосферу викидаються такі шкідливі інгредієнти: тверді частинки (пил), діоксид сірки, оксиди азоту, оксид вуглецю, аміак, фенол, сірководень, ціаністий водень, бензол, нафталін. Спільними забруднюючими речовинами для всіх стадій технологічного процесу є діоксид сірки, оксиди азоту, оксид вуглецю (див. табл. 2).
        Найбільш гостро стоїть проблема викидів діоксиду сірки і сірководню. Так в 2009 році викиди SO2 склали 1854,371 т / рік, а викиди H2S - 27,393 т / рік. Кількість викидів залежить від якості вугілля яке поступає на коксування, технології виробництва продукції заводу. Труби коксохімічного заводу мають велику висоту, що забезпечує їх осідання на значній відстані від джерела. Вплив викидів заводу на навколишнє середовище поширюється на прилеглий район на відстань до 20-25 км.
        Нами встановлено, що вміст органічної сірки після шихтовки в межах марок практично не знижується. Оскільки великий вміст органічної сірки пов'язаний з жирними вугіллям, що є основним складовим компонентом шихти, то слід контролювати район надходження вугілля. Для поліпшення екологічної ситуації рекомендовано обмежити надходження вугілля марки Ж з північних та центральних районів Донецького басейну (Краснодонський вугленосний район), які мають високосірчисті вугілля.

        Практичні висновки і рекомендації
1. Вивчено залежність складу та обсягу викиду по стадіям технологічного процесу.
2.Розглянут розподіл сірки у вугіллі.
3. Оцінено внесок кожного джерела викиду в сумарному забрудненні навколишнього середовища.
4. Вивчена якість вугілля, що надходить на коксохімічний завод.
5. Розроблені рекомендації щодо зниження екологічних наслідків.

 

                                                Література

1. Аналітична довідка про підприємства, які є найбільшими забруднювачами навколишнього природного середовища Донецької області - Наш край, 2008.- №16- с.2
2. Лейбович Р.Е. Технология коксохимического производства/ Р.Е.Лейбович, Е.И. Яковлева, А.Б. Филатов. –  М.: Металлургия,1982. –  360с.
3. Миронов К.В. Справочник геолога-угольшика/ К.В. Миронов. – М.: Недра, 1991. - 363с.
4. Долгий В. Я. Содержание общей серы в угольных пластах на шахтах Украины/ В.Я.Долгий, А.А. Кривченко, М.Д. Шамало - «Уголь Украины», 2000. - №1- с.44-47
5. Юровский А.З. Сера каменных углей./ А.З. Юровский. – М.: 1960. - 295с.
6. Буцик Ю.В. Методика разведки угольных месторождений Донецкого бассейна/ Ю.В. Буцик. – М.: Недра, 1972. –  340с.
7. Юровский А.З.  Сера каменных углей/ А.З. Юровский – М.: Издательство наук СССР, 1960. –  295с.
8. Забавин В.И. Каменные и бурые угли/ В.И. Забавин. – М.: Наука,1964. – 198с.
9. Аронов С.Г. Определение качества и пригодности углей для коксования/ Аронов С.Г.  –М.: Издательство наук СССР, 1951.- 67с.
10. Аронов С.Г. Сера. Извлечение из промышленных и отбросных газов/ Аронов С.Г.– М.: Издательство наук СССР, 1940. – 180с.
11. Реферат «Коксохимическое производство»: [Електронний ресурс]. – Режим доступу: http://www.ref.by/refs/93/34852/1.html

12. Статьи об Украине. «Каменный и бурый уголь»: [Електронний ресурс]. – Режим доступу: http://www.photoukraine.com/russian/articles?id=85