Управление геоэкологическими рисками минераловатных производств

УПРАВЛЕНИЕ  ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКИМИ  РИСКАМИ МИНЕРАЛОВАТНЫХ ПРОИЗВОДСТВ 

П.М. Жук 

Московский  государственный строительный университет, 129366 Москва, Ярославское шоссе, д. 26, 8 903 757 80 31, peter_05@bk.ru 
 

В статье раскрываются основные направления учета геоэкологических проблем территорий при проектировании и эксплуатации производств минеральной ваты. 
 

     Понятие геоэкологических рисков в современной  литературе используется довольно часто. Но применение такой терминологии, как правило, связано с экономическими потерями при разработке месторождений или устройстве трубопроводов. Если понимать под геоэкологическими рисками произведение вероятности наступления аварийной ситуации на производстве и величины ущерба от этой аварии, то необходимо проводить их анализ и оценку при проектировании, эксплуатации производств различных строительных материалов. Потребности строительной отрасли в минераловатных изделиях оцениваются специалистами из Института экономики Сибирского отделения РАН в 0,1 м³ в год на жителя. Мировое производство минеральной ваты составляет около 5 миллионов тонн в год. Производства минераловатных изделий создают негативные нагрузки на все геосферы: литосферу, гидросферу, атмосферу и биосферу.

     Среди негативных воздействий следует выделить: санитарно-гигиенические аспекты воздействия волокон на организм человека, возможные эмиссии из связующих веществ, энергозатраты и выделения при сжигании топлива, возможные выделения в окружающую среду побочных продуктов. Все перечисленные воздействия следует учитывать на разных стадиях производственного процесса. Для обеспечения качества минераловатного производства, в том числе в геоэкологическом аспекте, следует принимать во внимание следующие факторы:

1. Качество сырья (модуль кислотности; доступность в регионе).

2. Энергоемкость  производства (тип технологического  оборудования; первичные энергозатраты  на единицу продукции; возобновляемые  энергоресурсы).

3. Качество  и количество связующего вещества.

4. Возможные  выделения в окружающую среду (оказывающие воздействие на парниковый эффект; потенциал разрушения озона; закисление почв; фотохимический смог).

5. Особенности  эксплуатации (теплотехнические свойства; водопоглощение; диаметр волокон;  противопожарные свойства; паропроницаемость;  воздухопроницаемость свойства при длительных нагрузках).

     Как известно, в качестве сырьевых компонентов  для изделий из минеральной ваты выступают горные породы (диабазы, базальты), а также отходы, образовавшиеся при производстве бетона. Кроме того, в состав минераловатных изделий входят связующие вещества (например, фенолформальдегидные смолы) и вещества, повышающие прочность адгезии волокон со связующим. Месторождения базальта, используемого для производства минеральной ваты, расположены во многих регионах от Ровненской области (Украина) до Судунтуйского месторождения Читинской области. Основным критерием возможности использования сырья является модуль кислотности, характеризующийся отношением количества оксидов SiO₂ и Al₂O₃ к количеству оксидов СаО и MgO. Все базальтовые породы классифицированы по качеству в зависимости от величины модуля кислотности. Как правило, считается, что расстояния для транспортировки сырьевых компонентов до производства не должны превышать 150 км, но выполняется это для минераловатной промышленности далеко не всегда. Часто, когда значения модуля кислотности отличаются от оптимальных, приходится готовить многокомпонентную шихту с добавкой оксидов щелочноземельных металлов, что некоторым образом усложняет технологический процесс.

     В целом производственный процесс изготовления минераловатных изделий может быть разделен на несколько этапов: получение расплава (вагранка, индукционная или плазменно-дуговая печь), вытягивание волокон, добавление связующего, формирование изделий (плиты, маты, сегменты и др.). Каждый из этапов, в свою очередь, оказывает определенное воздействие на окружающую среду, связанное, в частности, с энергозатратами. В связи с этим ведутся исследования с целью уменьшить энергоемкость технологии. Например, в индукционных печах и вагранках расход энергии получается 5-6 кВт∙ч/ кг расплава, а в плазменно-дуговых этот показатель в 2-3 раза ниже [1]. Энергозатраты на расплав шихты максимальны при использовании газового пламени в ванной печи (свыше 30 МДж/ кг). Наиболее точные данные можно получить по данным о полном технологическом процессе, в таком случае удельными единицами могут явиться кубометр или килограмм минеральной ваты. В таблице 1 приведены данные о воздействиях на окружающую среду по всему технологическому процессу в расчете на 1 кг минеральной ваты. Воздействия приведены в кг эквивалентного вещества, оказывающего негативный эффект при попадании в биотоп.

     Таблица 1

     Удельные  энергозатраты и воздействия на окружающую среду

     при производстве минераловатных изделий

     При эксплуатации изделий из минеральной ваты должны учитываться такие ее свойства, как сорбционное увлажнение, средний диаметр волокон, показатели теплопроводности, паро- и воздухопроницаемости. Например, минераловатные изделия из соображений безопасности должны иметь диаметр волокон не менее 4 мкм, поскольку волокна диаметром менее 3 мкм относятся к категории, опасной при вдыхании пыли [2]. В частности, химический состав базальтовых масс из Читинской области позволяет создавать волокна диаметром около 8 мкм эффективных как с точки зрения теплоизоляционных свойств, так и с позиций безопасности. В то же время ведутся исследования в направлении создания супертонких искусственных минеральных волокон, которые могут растворяться в физиологической среде человеческого организма [1]. Модификация минераловатных изделий алюмокальциевым шламом позволяет улучшить теплотехнические характеристики и показатели воздухопроницаемости [3]. В то же время алюмокальциевый шлам является осадком техногенного происхождения, что требует дополнительных исследований по безопасности его применения для модификации волокнистых материалов. Специалисты среди требований к изделиям из минеральной ваты рассматривают такие и свойства, как невысокое водопоглощение, противопожарные свойства, устойчивость при длительных нагрузках и др. [5].

     Особенно  важной проблемой всего жизненного цикла теплоизоляционных материалов на основе минеральных волокон является вопрос их переработки по окончании  периода использования по назначению. Некоторые изделия могут повторно использоваться для изготовления волокна, но этот процесс осложняется при увеличении количества связующего.

     Выше  перечислен ряд воздействий производств  минеральной ваты на окружающую среду  и рассмотрены их особенности  по различным стадиям жизненного цикла минераловатных материалов. Каждое из приведенных воздействий представляет собой фактор риска от геоэкологических проблем до вопросов, связанных с охраной труда на соответствующих предприятиях. Под управлением производственными рисками следует понимать комплексные мероприятия организационного и технического характера, основывающиеся на результатах количественного анализа [4].

     Математические  методы количественного анализа рисков подразделяются на: статистические, вероятностно-статистические, экспертно-статистические, экспертные и др. При этом, если статистические методы применимы для всей отрасли экономики с объемом наблюдения за 10⁶ объектами [4], то для производства минеральной ваты и изделий из нее подходят методы по объединенной выборке. В качестве исходной информации для таких исследований рассматривается количество аварийных случаев, связанных с выбросом вредных веществ в атмосферу или гидросферу, на предприятиях-производителях; модели зависимости превышения уровня выбросов над нормативным от времени, а также от внешних и внутренних производственных факторов; распределение аварий на заводах минеральной ваты по тяжести последствий для биотопа.

     Среди математических методов обработки  результатов можно выделить метод потенциальных отклонений, позволяющий анализировать риски, связанные с функционированием установок для плавления шихты. Использование данного метода сводится к моделированию режима функционирования агрегатов с помощью ключевых слов.

     Ниже  приведена таблица 2, характеризующая  статистику случаев превышения выбросов над средним уровнем предприятиями-производителями минеральной ваты центрального региона за период 10 лет. Для каждого из типов выделений введен весовой коэффициент, показывающий сложность устранения последствий воздействия на геосферу.

     Таблица 2

     Статистические данные о превышении выбросов над средним годовым уровнем на минераловатных производствах центрального региона России

     Специфика применения методов оценки риска  при анализе производств минеральной  ваты и изделий из нее связана  с тем, что их следует сочетать с математическими методами оптимизации  технологического процесса. Преимуществом такой корреляции методов моделирования является возможность использования системного анализа, как для оптимизации технологического процесса, так и для анализа последствий отказов. Важным моментом для объективной оценки риска также является постоянный мониторинг состояния жизнеобеспечивающих геосферных оболочек в пределах природно-техногенной среды минераловатных производств. 

Литература 

1. Буянтуев С.Л., Дамдинова Д.Р., Сультимова В.Д. и др. Технология получения эффективной базальтовой теплоизоляции с помощью низкотемпературной плазмы // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. 2006. № 12, с. 30-31

2. Земцов А.Н. О санитарно-гигиенической безопасности минеральной ваты (обзор зарубежных Интернет-материалов) // Кровля и изоляция. Современные строительные конструкции. 2001. № 3-4, с. 33-36

3. Павлов А.А. Конструктивные решения по применению модифицированных волокнистых теплоизоляционных материалов в зданиях различной этажности // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. 2008. № 1, с. 69-71

4. Федорец А.Г. Вероятностно-статистические методы оценки профессиональных рисков // Безопасность в техносфере. 2007. № 4, с. 4-12

5. Luenser H. Auswahl und Bewertung von Daemmstoffen. Wirtschaftsministerium Baden-Wuertemberg, Referat 64, Stuttgart