Снижение пылевого загрязнения атмосферы при складировании отходов обогащения железных руд

ЭКОЛОГИЯ И ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИЕ ECOLOGY AND NATURAL RESOURCES MANAGEMENT

Снижение пылевого загрязнения атмосферы при складировании отходов

обогащения железных руд Decrease in dust air pollution in the decommissioning of iron-ore treatment waste

Ь Л МОСКОВСКИЙ  p ЭКОНОМИЧЕСКИЙ

«УРНА/1

УДК 504.3.054 DOI 10.24411/2413-046Х-2019-11017 Владимир Сергеевич Кузнецов,

к.т.н., доцент,

Игорь Константинович Супрун, к.т.н., доцент,

Денис Сергеевич Петров,

к.т.н, доцент,

кафедра Геоэкологии, Санкт-Петербургский горный университет

Vladimir Sergeyevich Kuznetsov, PhD, associate professor,

Igor Konstantinovich Suprun,

PhD, associate professor,

Denis Sergeyevich Petrov,

to. PhD, associate professor,

department of Geoecology, St. Petersburg Mining University

Аннотация. В данной работе рассматривается загрязнение атмосферы при работе Михайловского горно-обогатительного комбината, предприятие находится в 100 км от г. Курска в г. Железногорск.

За последние годы во всем мире все большую опасность для природной среды приобретает антропогенная деятельность, связанная главным образом с местами добычи полезных ископаемых, а также в местах их обогащения и переработки. При разработке полезных ископаемых на карьерах, происходит образование неорганической пыли. Пыль выделяется в атмосферу на всех стадиях технологического процесса предприятия. Основные источники выделяющие неорганическую пыль при открытой разработке месторождений железной руды: взрывные работы на карьере, работа пунктов перегрузки, обогатительный процесс на фабрике, обжиг окатышей, а также пыление с поверхности отвалов и сухих пляжей хвостохранилищ.

Summary. This work covers the pollution of the atmosphere during the work of the Mikhailovsky Mining and Refining Facility which is located within 100 km from the city of Kursk, in the city of Zheleznogorsk.

Over the past few years in the whole world, anthropogenic activity, connected mainly with the locations of mineral production and the those of mineral treatment and processing, has been becoming increasingly dangerous for the natural environment.

Resource development in open pits causes the formation of inorganic dust. The dust gets excreted into the atmosphere at all stages of an enterprise's technical process. The principal sources excreting inorganic dust during open mining of iron deposits: blasting operations in an open pit, the work of transfer points, the enrichment process at a factory, pellet firing as well as dusting from the surfaces of stock dumps and dry tailings beaches.

Ключевые слова: снижение загрязнений, пылевое загрязнение, складирование, отходы железных руд.

Key words: reduction, dust pollution, decommissioning, iron-ore waste.

На предприятии большой объем неорганической пыли поступает в окружающую природную среду с хранилища отходов обогащения. В процессе складирования отходов обогащения на хвостохранилище образуются сухие пляжи, занимающие от 25 до 30 % площади, которые в летний период интенсивно выделяют пыль в атмосферу. Сдуваемая ветром пыль с поверхности хвостохранилища, рассеивается в атмосфере, после чего выпадает на поверхность почв путём гравитационного осаждения или выпадения с осадками, что приводит к формированию в почвенном покрове вторичного загрязнения (в частности тяжелыми металлами содержащимися в пыли) [7]. Железорудная пыль отрицательно влияет на продуктивность сельхозугодий, из-за попадания в почву различных металлов. Кроме загрязнения почвы происходит также нарушение морфологического строения профиля почв и изменение ландшафта [1].

В процессе обогащения образуется концентрат и отход обогащения (хвосты мокрой магнитной сепарации) при добыче железорудного сырья. Объёмы отходов составляют 4060% от объёма обогащаемого материала.

Химический состав таких отходов формируется исключительно из ландшафтообразующих элементов: Si (кремний), А1 (алюминий), Fe (железо), Са (кальций), Mg (магний), К (калий), Na (натрий), О (кислород), причем в связанной окисленной форме (карбонаты, оксиды, силикаты).

С целью установления состава отходов обогащения, были отобраны пробы с поверхности хвостохранилища и проведен качественный и количественный химический анализ состава отходов обогащения на оптическом эмиссионном спектрометре параллельного действия с индуктивно-связанной плазмой ICPE-9000 [6].

Таблица 1

Содержание элементов (иг/кг) в пробах отходов по результатам

качественного анализа на 1СРЕ-9000

Проба 01

Са Ге МЕ Мп

Хер, мг/л 74,8 1,94 1,320 383 32,4

Х;, мг/кг 2680 194000 131050 3680 307

% 0,268 19,4 13,105 0,368 0,031

Проба 02

Са Ее 51 Мп

Хер, мг/л 140 2,53 1,83 397 34,6

Х^ мг/кг 9200 253000 182050 3820 329

% 0,92 25,3 13,205 0,382 0,033

Проба 03

Са Ге 51 Мп

Хер, мг/л 114,2 2,370 1,520 391 33=б

Х^ мг/кг 6620 237000 151050 3760 319

% 0,662 23,7 15,105 0,376 0,003

По результатам проведения качественного и количественного анализа на 1СРЕ-9000 можно сделать вывод о высоком содержании железа и кремния в пробах отходов, а следовательно эти элементы также присутствуют в пыли выделяемой с поверхности хвостохранилища.

Наибольшее негативное воздействие на организм человека оказывают мелкие частицы. В легкие человека проникают пылинки размером от 5 мкм до 1 мкм. Наиболее вредными являются частицы менее 1-3 мкм в диаметре, которые могут достигать альвеол лёгких. Эти частицы составляют обычно 40-70% взвешенных частиц. Пыль, попадая в лёгкие, оседает там, превращая с течением времени в фиброзную ткань, которая не участвует в процессе обмена кислорода и углекислого газа.

Для гранулометрического анализа проб сухих отходов был использован лазерный анализатор распределения размеров частиц НопЬа LА-950, который предназначен для измерения дисперсных параметров (размеров частиц и функций распределения частиц по размерам) суспензий, эмульсий и порошкообразных материалов. В результате гранулометрического анализа было установлено, что в отобранных пробах, содержание частиц с размером фракции 1-5 мкм составляет порядка 25-30% от общего фракционного состава пробы [2].

В летний период 2017 г. были сделаны замеры запылённости воздуха [4] с помощью пылемера Вш1Тгак 8533 фирмы в 34 точках на различной удалённости от хвостохранилища на высоте около 1,6 м над поверхностью земли, результаты измерений представлены в таблице 2.

Таблица 2

Данные -замеров запыленности воздуха в зоне воздействия хранилища

отходое обогащения.

№ Координаты Концентрация пыли, мг/м3 Расстояние, м

Долгота Широта

1 52.3303 35,5371 7.516 0

52,3257 35,5444 4.125 600

3 52.325 35,5052 4.521 500

4 52,3259 35,51 4.321 500

5 52,3224 35,5459 1.365 13 ОС

6 52,3251 35,5413 3,745 300

7 52,3291 35,5513 1.543 13 ОС

§ 52,3319 35,5537 1.196 15 ОС

9 52,3236 35,5577 1.112 2 ООО

10 52,3239 35,5563 1.193 21 ОС

11 52.319 35,5536 0.523 2600

12 52,3165 35,5525 0.513 2 2 00

13 52,3195 35,5632 0.135 3600

14 52.325 35.5699 0.209 3400

15 52,3256 35.574 0.193 4000

16 52,3143 35.5696 0.219 4000

17 52,3196 35,5331 2.541 300

10 52,3123 35.5464 0.563 1900

19 52,3346 35,5841 0.171 5 ООО

20 52,3346 35,5774 0.162 4700

21 52,3395 35.5992 0.211 5 ООО

22 52,3453 35,59^9 ОДВЗ 4700

23 52,3405 35.6063 0.151 5700

24 52,3513 35,5В 73 0.263 3500

25 52,3519 35.5762 0.541 2400

26 52,3196 35,5052 1.326 1200

27 52,3193 35,5255 1.235 900

2£ 52,3123 35,5353 1.054 1500

29 52.323 35,5333 7.429 0

30 52,3315 35,5394 7.354 0

31 52,3252 35,5303 5.214 300

32 52,3273 35.517 5.154 350

33 52,3291 35,5231 7.652 0

34 52.309 35,5705 0.093 45 00

Из анализа данных представленных в таблице следует, что превышение нормативов [3] по неорганической пыли на расстоянии 1 км от источника (санитарно-защитная зона) составляет порядка 8-10 раз разрешенной нормы.

С целью определения площадного загрязнения атмосферы было выполнено моделирование пылевого воздействия в программе MapInfo Propessional.

MapInfo - географическая информационная система (ГИС), предназначенная для сбора, хранения, отображения, редактирования и анализа пространственных данных. С использованием программы MapInfo были определены зоны с высоким уровнем пылевого загрязнения атмосферы в непосредственной близости с местом складирования отходов обогащения (хвостохранилищем). Результаты моделирования представлены на рисунке 1.

Результаты моделирования графически отображают уровень пылевого загрязнения неорганической пылью территории в близи места складирования отходов обогащения на территории горно-обогатительного предприятия.

Рисунок 1. Визуализация поля концентрации неоганическои пыли в

атмосферном воздухе

В мировой практике, для снижения пылевого загрязнения используются следующие способы пылеподавления.

ГФизико-химические способы закрепления заключаются в изменении свойств поверхностного слоя намытого материала, путём стабилизации пылящих поверхностей. Производится их орошение различными водными системами, которые могут содержать связующие вещества.

На данный момент физико-химические способы снижения пылевыделения чаще других находят применение на практике. Можно выделить основные методы: гидротехнический метод и закрепление пылящей поверхности полимерами, органическими и неорганическими веществами поверхности [5].

1) Гидротехнический метод является наиболее простым и доступным, он сводится к постоянному увлажнению пылящих поверхностей оросительными установками. Эффективность данного метода составляет приблизительно 50-60%, что в большинстве случаев достаточно для снижения концентрации пыли до уровня ПДК на границе санитарно-защитной зоны.

2) Использование физико-химических способов закрепления пылящих поверхностей является перспективным направлением. Данные способы имеют в основе связующие вещества. Их применение является основой многих исследований.

II. Биологические способы снижения пылевыделения заключаются в создании противоэрозионных насаждений, позволяющих закрепить поверхность пляжей путём посева высших растений. Данные способы можно классифицировать на два метода: биогенный и биоценотический.

III. Технологические способы предотвращения пылеобразования косвенно способствуют снижению техногенной нагрузки, оказываемой на атмосферный воздух в зоне действия

обогатительных предприятий:

1) разработка способа складирования отходов обогащения таким образом, чтобы вынос частиц был минимален; 2) создание малоотходных технологий, в результате чего осуществляется комплексная переработка сырья, соответственно уменьшается техногенная нагрузка; 3) утилизация отходов.

IV. Механический способ можно классифицировать на два метода: 1) сплошное покрытие поверхностей не пылящим материалом: щебень, гравий, окатыши на основе глин или суглинков и др. Толщина нанесённого слоя должна быть не менее 0,15 м [5]; 2) установку искусственных заграждений, лесозащитных полос и пр.

Механические способы уменьшения выноса пыли с поверхностей техногенных массивов является предпочтительным в условиях сухого, а также сурового климата, в связи со сложностью применения в таких условиях оросительных систем, либо создания растительного покрова.

Для орошения больших площадей с большим радиусом полива, а также для достижения максимальной равномерности нанесения жидкости на пылящую поверхность используются оросительные водяные (аэрозольные) пушки.

Аэрозольные пушки для пылеподавления могут работать до температуры -20 градусов. Чтобы обеспечить подавление пыли при более низких температурах их можно доработать, дополнив возможностью работать в снежном режиме.

Аэрозольная пушка - это устройство, которое представляет собой цилиндрический корпус, внутри которого установлены распылительные сопла (форсунки), диффузор, а также осевой вентилятор. Дальность броска жидкости от аэрозольной пушки варьирует от 20-30 до 200 метров, что является большим преимуществом по сравнению с системой форсунок.

При расположении пушки близко к поверхности может наблюдаться так называемый «стелющий» эффект. В этом случае осаждение капель происходит благодаря контакту с поверхностью. Капли над поверхностью продолжают движение без осаждения. Благодаря аэрозольной пушке происходит орошение целой полосы сухой поверхности, а не только отдельных участков массива.

При эксплуатации аэрозольных пушек для пылеподавления следует учитывать направление и силу ветра. В случае, когда направление ветра совпадает с направлением факела орошения, дальность полета струи аэрозоля увеличивается, однако, при противоположном направлении ветра распространение аэрозоля будет блокироваться, а также будет снижаться эффект стабилизации пылящей поверхности. В данном случае частицы пыли за счёт сил адгезии будут взаимодействовать с аэрозолем, что в дальнейшем приведёт к их осаждению.

В связи с высокой стоимостью аэрозольных пушек нерациональна стационарная установка пушек по периметру хвостохранилища. Поэтому необходима разработка системы транспортировки пушки по периметру. Оптимальным будет установка пушки на рельсовую платформу, по которой аэрозольная пушка будет перемещаться вместе с водяной цистерной.

На платформе располагается аэрозольная пушка пылеподавления с устройством наведения; компрессорная станция; водяной насос; устройство электропривода на одну

ось платформы; блок системы управления приёма и обработки информации; дизель-электрическая силовая установка для питания комплекса.

Максимальная скорость движения установки 23 км/ч. Оптимальная скорость движения может быть определена на основании расчёта.

Для оптимизации работы установки необходима разработка разных режимов работы в зависимости от метеоусловий. Данные могут быть получены с систем мониторинга производственного процесса. Основные параметры: температура, скорость ветра, направление ветра, количество осадков и др.

Площадь пылящей поверхности хвостохранилища составляет 300000 м2. Однако с учётом системы намыва происходит увлажнение дополнительных 50000 м2. Протяжённость пылящей поверхности, доступной для внедрения системы орошения достигает 19 км. Ширина пылящей поверхности от 50 до 300 метров.

По итогам проведённого эксперимента необходимое количество воды для стабилизации 1 м2 пылящей поверхности в среднем составляет 3 л. В зависимости от погодных условий пылевыделение будет отсутствовать до 7 часов. При неблагоприятных погодных условиях (высокая температура, высокая скорость ветра, отсутствие осадков) необходимо орошение каждые 2 часа.

На периметр 23 км предлагается использование двух аэрозольных пушек с цистернами. Требования к аэрозольной пушке - зона обхвата 100-120 м2, расход не менее 100 л/с. В таком случае оптимальная скорость составит 3 м/с.

Эффективность работы пылеподавляющих устройств определяется соответствием их технологических параметров конкретному источнику пылеобразования и оптимальностью работы пылеподавляющих устройств. Особую сложность представляет проблема обеспыливания воздуха в условиях технологических процессов, при которых площадь источника пылевыделения и объёмы запылённого воздуха имеют большие размеры.

ВЫВОДЫ

Опираясь на данные эксперимента возможна разработка системы орошения в зависимости от погодных условий.

Основные режимы работы системы орошения аэрозольными пушками представлены в таблице 3.

Таблица 3.

Режимы работы системы орошения аэрозольными пушками

Параметры

Номер режима Температура воздуха. сС Скорость ветра, м 'с Осадки Режим орошения

1 >29 >9 нет Каждый час

2 22-29 5-9 нет Каждые 3 часа

3 <22 <5 нет Каждые б часов

4 >27 >7 есть Каждые 3-4 часа

5 21-27 5-7 есть Каждые 4-6 часов

6 <21 <5 есть Каждые 12 часов

При неблагоприятных погодных условиях (высокая температура, высокая скорость ветра, отсутствие осадков) орошение сухих пляжей необходимо производить каждые 2 часа.

При установке двух пушек время орошения всего периметра составит 53 минуты. При наличии одной пушки время орошения всего периметра составит 1 час 46 минут. С учётом рассмотрения в эксперименте условий с относительно невысокой скоростью ветра можно предположить, что при увеличении данного параметра скорость высыхания хвостов будет повышена, соответственно повторное орошение необходимо будет производить. Отсюда можно сделать вывод, что наличие двух аэрозольных пушек будет оптимальным для рассматриваемого объекта.

При внедрении предлагаемого способа для хвостохранилища Михайловского горнообогатительного комбината, можно снизить пыление хвостохранилища до необходимых санитарных нормативов. Предлагаемая система орошения имеет большую дальность распыления, что сократит количество пылящих сухих пляжей и повысит эффективность пылеподавления.

Список литературы

1. Волькодаева М.В., Киселев А.В. Развитие системы экологического мониторинга для определения качества атмосферного воздуха. Записки Горного института. 2017. том 227, p. 589-596. DOI: 10.25515/PMI.2017.5.589

2. Гигиенические нормативы ГН 12536-79 «Методы лабораторного определения гранулометрического (зернового) и микроагрегатного состава».

3. Гигиенические нормативы ГН 2.1.6.3492-17 «Предельно-допустимые концентрации (ПДК) загрязняющих веществ в атмосферном воздухе городских и сельских поселений»

4. ГОСТ P 56059-2014. Проведение экологического мониторинга.

5. Лычагин Е.В., Синица И.В. Совершенствование методов закрепления пылящих поверхностей // ГИАБ. Семинар 8. М.: «Горная книга», 2007. С. 136-140.

6. М-МВИ 80-2008 Методика выполнения измерений массовой доли элементов в пробах почв, грунтов и донных отложениях методами атомно-эмиссионной спектрометрии // Санкт-Петербург: 2008.

7. Strizhenok, A.V., Ivanov, A.V. Efficiency of Dust Suppression with Aerosol Guns-Fogging Machines with Air-and-Fluid Jets. Journal of Mining Science. ISSN: 1062-7391 (Print) 15738736 (Online). January 2017, Volume 53, Issue 1, pp 176-180