Ред предприятий по производству фосфора на атмосферный воздух

3. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПОСЛЕДСТВИЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ПРЕДПРИЯТИЯ ПО ПРОИЗВОДСТВУ ФОСФОРА

        3.1 Влияние вредных выбросов в атмосферу, и на живую оболочку земли.

Болезни людей, вызываемые усилением запылённости. В последние десятилетия резко возросла запыленность атмосферы, что усугубило и без того тяжелую экологическую обстановку в мире. В первую очередь это сказалось на здоровье людей - особенно горожан (жителей крупных промышленных центров). Вспомним, что в Лондоне в 1952 г. за 4 дня смога, спустившегося на город, погибли 4 000 человек, а десятки тысяч людей получили легочные и бронхиальные заболевания. Смоги с большим содержанием пероксилацилнитратов вызывают сильные воспаления, такие, как гиперемия соединительной оболочки глаза. Особенно тяжелые случаи такого рода наблюдались в Лос-Анджелесе. У растений такие смоги повреждают листву и тормозят фотосинтез. Из-за смогов горожане все чаще стали заболевать хроническим бронхитом, эмфизой легких, различными аллергическими расстройствами, среди которых наиболее распространена астма. И наконец - рост заболеваний раком легких.     От загрязнения воздуха страдают животные и растения. Например, отходы медеплавильных заводов – хлор, мышьяк, сурьма – вызывают гибель домашних и диких животных, поедающих отравленную этими веществами пищу. Тяжелые заболевания скота наблюдаются от фтористых соединений. Медь и цинк, попадающие с выбросами заводов на землю, могут полностью уничтожить травяной покров.       Воздействие сернистого газа и его производных на человека и животных проявляется, прежде всего, в поражении верхних дыхательных путей, под их влиянием происходит разрушение хлорофилла в листьях растений, в связи с чем ухудшается фотосинтез и дыхание, замедляется рост, снижается качество древесных насаждений и урожайность сельскохозяйственных культур, а при более высоких и продолжительных дозах воздействия растительность погибает.      Подсчитано, что общее количество выбросов сернистого газа в атмосферу нашей планеты тепловыми электростанциями, металлургическими заводами, нефтеперерабатывающими предприятиями и другими антропогенными источниками с 1905 по 1965 г. возросло в 4 раза и в настоящее время достигло 150 млн т. Из этого количества до 110 млн т (более 70% мировых выбросов сернистою газа) приходится на страны Европы, Соединенные Штаты Америки и Канаду. Учитывая, что использование тв1рдого топлива, в частности бурого угля (характеризирующегося высоким содержанием серы), постоянно возрастает, следует предвидеть соответствующее увеличение выбросов сернистого газа.  Загрязнение атмосферного воздуха таит в себе угрозу не только здоровью людей, но и наносит большой экономический ущерб. Наличие в воздухе соединений серы ускоряет процессы коррозии металлов, разрушение зданий, сооружений, памятников культуры, ухудшает качество промышленных изделий и материалов. Установлено, например, что в промышленных районах сталь ржавеет в 20 раз, а алюминий разрушается в 100 раз быстрее, чем в сельской местности.      Вредные для человека и для природы выбросы могут перемещаться в воздушных потоках на громадные расстояния. Например, установлено, что выбросы промышленных предприятий Германии и Великобритании переносятся на расстояния более 1000 км и выпадают на территории Скандинавских стран, а из северо-восточных штатов США – на территории Канады. Вредоносные последствия загрязнения среды сказываются и в нашей стране. Так, по данным Европейской экономической комиссии ООН, через границу Казахстана в воздушных потоках с востока на запад идет в 4 раза больше серы, чем в обратном направлении.      В Казахстане наиболее неблагоприятными с точки зрения здоровья населения по-прежнему остаются города с высокой концентрацией промышленности. Загрязненная атмосфера вызывает увеличение числа заболеваний дыхательных путей. Состояние атмосферы в разных районах индустриальных городов сказывается на показателях заболеваемости.  В наиболее загрязненных районах заболевания органов дыхания выше среднего по городу в 2,1 раза, кожи и подкожной клетчатки – в 2,7 раза, крови и кроветворных органов – в 2 раза. Комплексная оценка состояния здоровья детей, осуществленная на основе углубленного медицинского осмотра школьников 7-11 лет, показала, что общее число здоровых детей в высокозагрязненных районах составило 6,6%, в контрольном районе – 19,9%. Более трети учащихся в загрязненном районе имеют функциональные отклонения, 60,5% страдают различными хроническими заболеваниями. У 20,3% детей, проживающих в районе с высоким уровнем загрязнения атмосферного воздуха, выявлено повышенное артериальное давление (в контрольном районе – у 9,7%), у 47,7% – анемия (в контрольном районе – у 19,3%).           Изучение распространенности аллергенных заболеваний среди детей в стране показало, что наибольшее число их отмечается в районах с высоким загрязнением атмосферы. Причем в этих районах отмечено большое число тяжелых форм аллергий в сочетании с другими заболеваниями. По заключению исследователей, все названные патологии связаны с воздействием пыли, сернистого ангидрида, серной кислоты и двуокиси азота. Высокая корреляция вышеуказанных заболеваний с суммарным загрязнением атмосферного воздуха наблюдалась постоянно [6].

3.2 Химическое загрязнение атмосферного воздуха

Атмосферный воздух является самой важной жизнеобеспечивающей природной средой и представляет собой смесь газов и аэрозолей приземного слоя атмосферы, сложившуюся в ходе эволюции Земли, деятельности человека и находящуюся за пределами жилых, производственных и иных помещений. Загрязнение атмосферы – это изменение ее состава при поступлении примесей естественного или антропогенного происхождения. Вещества-загрязнители бывают трех видов: газы, аэрозоли и пыль. К аэрозолям относятся диспергированные твердые частицы, выбрасываемые в атмосферу и находящиеся в ней длительное время во взвешенном состоянии. К основным загрязнителям атмосферы относятся углекислый газ, оксид углерода, диоксиды серы и азота, а также малые газовые составляющие, способные оказывать влияние на температурный режим тропосферы: диоксид азота, хлорфторуглероды (фреоны), метан и тропосферный озон. Основной вклад в высокий уровень загрязнения воздуха вносят предприятия черной и цветной металлургии, химии и нефтехимии, стройиндустрии, энергетики, целлюлозно-бумажной промышленности, а в некоторых городах и котельные.       Источники загрязнений – это теплоэлектростанции, которые вместе с дымом выбрасывают в воздух сернистый и углекислый газ, металлургические предприятия, особенно цветной металлургии, которые выбрасывают в воздух окислы азота, сероводород, хлор, фтор, аммиак, соединения фосфора, частицы и соединения ртути и мышьяка; химические и цементные заводы. Вредные газы попадают в воздух в результате сжигания топлива для нужд промышленности, отопления жилищ, работы транспорта, сжигания и переработки бытовых и промышленных отходов. Атмосферные загрязнители разделяют на первичные, поступающие непосредственно в атмосферу, и вторичные, являющиеся результатом превращения последних. Так, поступающий в атмосферу сернистый газ окисляется до серного ангидрида, который взаимодействует с парами воды и образует капельки серной кислоты. При взаимодействии серного ангидрида с аммиаком образуются кристаллы сульфата аммония. Подобным образом, в результате химических, фотохимических, физико-химических реакций между загрязняющими веществами и компонентами атмосферы, образуются другие вторичные признаки. Основным источником пирогенного загрязнения на планете являются тепловые электростанции, металлургические и химические предприятия, котельные установки, потребляющие более 70% ежегодно добываемого твердого и жидкого топлива.    Основными вредными примесями пирогенного происхождения являются следующие:

 Оксид углерода - получается  при неполном сгорании углеродистых  веществ. В воздух он попадает  в результате сжигания твердых  отходов, с выхлопными газами  и выбросами промышленных предприятий. Ежегодно этого газа поступает в атмосферу не менее 250 млн. т. Оксид углерода является соединением, активно реагирующим с составными частями атмосферы и способствует повышению температуры на планете, и созданию парникового эффекта;           Сернистый ангидрид - выделяется в процессе сгорания серосодержащего топлива или переработки сернистых руд (до 70 млн. т. в год). Часть соединений серы выделяется при горении органических остатков в горнорудных отвалах. Только в США общее количество выброшенного в атмосферу сернистого ангидрида составило 85 процентов от общемирового выброса;               Серный ангидрид - образуется при окислении сернистого ангидрида. Конечным продуктом реакции является аэрозоль или раствор серной кислоты в дождевой воде, который подкисляет почву, обостряет заболевания дыхательных путей человека. Выпадение аэрозоля серной кислоты из дымовых факелов химических предприятий отмечается при низкой облачности и высокой влажности воздуха. Пирометаллургические предприятия цветной и черной металлургии, а также ТЭС ежегодно выбрасывают в атмосферу десятки миллионов тонн серного ан гидрида;  Сероводород и сероуглерод - поступают в атмосферу раздельно или вместе с другими соединениями серы. Основными источниками выброса являются предприятия по изготовлению искусственного волокна, сахара, коксохимические, нефтеперерабатывающие, а также нефтепромыслы. В атмосфере при взаимодействии с другими загрязнителями подвергаются медленному окислению до серного ангидрида;        Оксиды азота - основными источниками выброса являются предприятия, производящие; азотные удобрения, азотную кислоту и нитраты, анилиновые красители, нитросоединения, вискозный шелк, целлулоид. Количество оксидов азота, поступающих в атмосферу, составляет 20 млн. т. в год.;            Соединения фтора - источниками загрязнения являются предприятия по производству алюминия, эмалей, стекла, керамики, стали, фосфорных удобрений. Фторосодержащие вещества поступают в атмосферу в виде газообразных соединений - фтороводорода или пыли фторида натрия и кальция. Соединения характеризуются токсическим эффектом. Производные фтора являются сильными инсектицидами.      Соединения хлора - поступают в атмосферу от химических предприятий, производящих соляную кислоту, хлоросодержащие пестициды, органические красители, гидролизный спирт, хлорную известь, соду. В атмосфере встречаются как примесь молекулы хлора и паров соляной кислоты. Токсичность хлора определяется видом соединений и их концентрацией.

3.3 Кислотные дожди - производная проблема химических выбросов в атмосферу

Попадая в атмосферу, многие загрязнения подвергаются химическим или фотохимическим превращениям с участием компонентов воздуха. Конечные продукты химических превращений удаляются из атмосферы с осадками или выпадают на поверхность Земли с аэрозолями. Попадая на поверхность биологических объектов, строительных конструкций и других предметов, загрязнения и продукты их превращения интенсифицируют физико-химические процессы разрушения органических веществ, металлов и неорганических материалов.         Ущерб, наносимый живой природе атмосферными загрязнениями и продуктам производственной деятельности человека, трудно оценить, но гибель лесов, загрязнение водных бассейнов, распространение аллергических заболеваний, нарушение биологического равновесия в экосистемах не в последнюю очередь связаны с высокими концентрациями агрессивных примесей в атмосфере.

          3.4 Прямое воздействие кислотных дождей на растения

Непосредственная гибель растений в наибольшей степени ощущается вблизи от выбросов загрязнений, в радиусе нескольких десятков километров от их источника.Главной причиной является высокая концентрация двуокиси серы. 
     Это соединение адсорбируется на поверхности растения, в основном на его листьях, и оказывает на него вредное влияние. Двуокись серы, проникая в организм растения, принимает участие в различных окислительных процессах. Эти процессы протекают с участием свободных радикалов, образованных из двуокиси серы в результате химических реакций. Они окисляют ненасыщенные жирные кислоты мембран, тем самым изменяя их проницаемость, что в дальнейшем отрицательно влияет на многие процессы (дыхание, фотосинтез и др.).        Непосредственные воздействия на растения могут принимать различные формы:

1) генетические изменения;

2) видовые изменения;

3)нанесение прямого вреда растительности.

  Естественно, в зависимости от чувствительности вида и размеров нагрузки масштаб воздействия может простираться от восполнимого 
(обратимого) ущерба до полной гибели растения.     В первую очередь погибают наиболее чувствительные виды, например, отдельные лишайники, которые могут сохраниться только в самой чистой среде, поэтому их считают "индикаторами" чистого воздуха. Обычно в сильнозагрязненных местах образуется "лишайная пустыня". В современном городе она существует уже при средней концентрации двуокиси серы 100 мкг/м". Во внутренних его районах лишайник вообще отсутствует, а на окраинах его можно встретить очень редко. Впрочем, существуют также виды лишайника, хорошо переносящие нагрузки двуокиси серы, поэтому отдельные сопротивляющиеся виды иногда занимают место погибших видов лишайника.           Однако кислотные атмосферные соединения, естественно, могут также оказывать прямое вредное воздействие и на растения более высокого класса. 
Непосредственный вред, приносимый двуокисью серы, зависит от многих факторов — местного климата, вида деревьев, состояния почвы, способов обработки леса, рН влажных осадков и др. Опасный уровень атмосферной двуокиси серы оказался гораздо ниже, чем считалось раньше, так как определенные физиологические и биохимические изменения могут происходить без каких-либо признаков гибели. Однако эта опасная граница становится еще ниже при воздействии двуокиси азота, озона, кислотного дождя и т.д.

       3.5 Прямое воздействие кислотных дождей на человека

       Естественно, атмосферные кислотные микроэлементы не щадят и человека. Однако здесь речь идет уже не только о кислотных дождях, но и о том вреде, который приносят кислотные вещества (двуокись серы, двуокись азота, кислотные аэрозольные частицы) при дыхании.    Уже давно установлено, что существует тесная зависимость между уровнем смертности и степенью загрязнения района. При концентрации около 1 мг/м3 возрастает число смертельных случаев, в первую очередь среди людей старшего поколения и лиц, страдающих заболеваниями дыхательных путей. Статистические данные показали, что такое серьезное заболевание, как ложный круп, требующее моментального вмешательства врача и распространенное среди детей, возникает по этой же причине. То же самое можно сказать и о ранней смертности новорожденных в Европе и Северной Америке, которая ежегодно исчисляется несколькими десятками тысяч. Кроме оксидов серы и азота опасны для здоровья человека также аэрозольные частицы кислотного характера, содержащие сульфаты или серную кислоту. Степень их опасности зависит от размеров. Так, пыль и более крупные аэрозольные частицы задерживаются в верхних дыхательных путях, а мелкие (менее 1 мкм) капли серной кислоты или частицы сульфатов могут проникать в самые дальние участки легких.   Физиологические исследования показали, что степень вредного воздействия прямо пропорциональна концентрации загрязняющих веществ. Однако существует пороговое значение, ниже которого даже у самых чувствительных людей не обнаруживаются какие-либо отклонения от нормы. Например, для двуокиси серы среднесуточная пороговая концентрация для здоровых людей составляет приблизительно 400 мкг/м3 [19].

 3.6 Пути решения проблем фосфорного производства.

Эффективное решение экологических проблем фосфорного производства заключается в выявлении причин загрязнения среды, их анализе, создании новых безотходных технологий и аппаратов, отвечающих требованиям экологии.           Основным техническим агрегатом для реализации процесса является высокотемпературный кислородный  реактор Ромелт (рис. 1)    В предлагаемой технологии смесь из угля, фосфоритного сырья и флюсовых добавок непрерывно загружают в реактор Ромелт сверху на поверхность интенсивно перемешиваемого кислородсодержащим дутьем шлакового расплава. Под действием потоков шлака материалы замешиваются в объем ванны, где происходит их окисление кислородом дутья. Минеральные компоненты шихты растворяются в шлаке и непрерывно пополняют объем ванны. Происходит жидкофазное восстановление фосфора углем и переход фосфора преимущественно в газовую фазу (рис. 2).

 Скорость загрузки топлива, сырья и интенсивность подачи  дутья выбирают таким образом, чтобы углерод окислялся в  объеме ванны только до оксида  углерода. Выделяющиеся из ванны  газы дожигаются над ее поверхностью  кислородом, который подается через  верхние фурмы. Температура газов  в зоне дожигания составляет 1500-1700 оС. В зоне дожигания отходящих из ванны газов газообразный фосфор окисляется до Р2О5. Дальше печные газы охлаждаются в котле-утилизаторе и подаются на двухступенчатую очистку. На первой стадии улавливается крупная фракция и возвращается в печь, а мелкая фракция в дальнейшем складируется на полигоне. После очистки из газа извлекаются оксиды фосфора, дымовой газ выбрасывается в атмосферу. Конечным продуктом производства является фосфорная кислота.           В котле-утилизаторе установки производится пар, который используется для производства электроэнергии. По мере накопления шлак через сифон выводится из печи и направляется на переработку.  Содержащееся с шихте окисленное железо, восстанавливается углем. На подине печи формируется ванна металла, представляющего собой металлургический феррофосфор, который также выводится из печи по мере накопления.           Все продукты процесса (печной газ, шлак, металл, пыль) в данной технологии могут быть использованы полезно, т.е. технология является безотходной. Шлак будет пригоден к использованию в цементной промышленности. Технология также предусматривает значительное попутное производство товарной электроэнергии.     Рассчитанный по этим данным ущерб окружающей среде до 2-х раз ниже, чем при использовании существующей технологии переработки фосфорного сырья в электропечах. Это обусловлено следующим. В предлагаемой  технологии не требуется подготовки сырья и не используется в больших количествах электроэнергия, что сказывается на ущербе, наносимом атмосфере. Кроме того, пылевынос в комплексе имеет организованный отвод, что значительно облегчает улавливание пыли, в отличие от традиционной схемы, где источников пылевыноса намного больше и к тому же они рассредоточены территориально. В предлагаемой технологии часть пыли возвращается в производство, что снижает количество пыли, направляемой на полигон.      В целях улучшения термообработки и термохимической подготовки сырья  разработана шахтная печь с газораспределительными решетками. Существенным преимуществом термообработки сырья в условиях газодинамики подвижного слоя - проведения процесса в благоприятных санитарных условиях без вредных выбросов и отходов.    В процессе по сушке кокса в шахтной печи с наклонной решеткой, запыленность отходящих газов 121 мг/м3) в газоходе до системы пылеочистки.Что гораздо ниже предельно допустимых санитарных концентраций (ПДК 500 мг/м3), в то время как запыленность отходящих газов из сушильных барабанов даже после двухступенчатой очистки достаточно высока (в среднем 17 000 мг/м3). Таким образом, сушка сырья в шахтной печи с наклонной решеткой - экологизированный процесс и отвечает требованиям охраны окружающей среды [20].