На правах рукописи

Величкин Андрей Сергеевич

ОБРАЩЕНИЕ С ОТХОДАМИ ХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ ПРИ

ПЕРЕРАБОТКЕ УРАНОВЫХ РУД – ИНФОРМАЦИОННАЯ

ПОДДЕРЖКА

05.13.01 – Системный анализ, управление и обработка информации

(химическая промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Москва – 2010

Работа выполнена на кафедре Информационных технологий государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московская государственная академия тонкой химической технологии им. М.В. Ломоносова» (МИТХТ).

Научный руководитель доктор технических наук, Колыбанов Кирилл Юрьевич

Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор, Соболев Игорь Андреевич;

кандидат технических наук, доцент Могирева Елена Степановна

Ведущая организация ГУП МосНПО «Радон»

Защита состоится «23» «марта» 2010 года в 14 час. на заседании диссертационного совета Д 212.120.08 при Московской Государственной Академии тонкой химической технологии им. М.В. Ломоносова по адресу:

119571, г. Москва, просп. Вернадского, д.86.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГАТХТ им. М.В.

Ломоносова (119571, г. Москва, просп. Вернадского, д.86).

Автореферат диссертации размещен на сайте http://www.mitht.ru.

Реферат разослан «17» «февраля» 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, К.Ю. Колыбанов доктор технических наук     Актуальность работы Среди приоритетов в области экологической политики химической промышленности России поставлена и постоянно решается проблема нормирования антропогенного воздействия на окружающую среду (ОС) всех перерабатывающих предприятий, включая предприятия химического профиля государственного концерна Росатом. Комплекс химических предприятий Росатома на основе тонких химических технологий обеспечивает переработку огромных объемов урановых руд и получение готовой продукции для атомной энергетики и оборонной промышленности на сотни миллиардов рублей.

Особое внимание при этом уделяется вновь создаваемым предприятиям, для которых требуется «обеспечение высокоэффективных природоохранных мероприятий ещё на стадии исследования и разработки новых технологических решений». Самым перспективным из новых предприятий отрасли является Эльконский горнометаллургический комбинат (ЭГМК). Эльконское рудное поле, расположенное в Алданском горнопромышленном районе республики Саха (Якутия), является самым крупным в мире по запасам – 346 тыс. тонн (7% мировых запасов урана).

Для освоения месторождений Эльконского урановорудного района необходима разработка нового подхода к переработке бедных урановых руд на базе самых современных химических технологий, включающего в себя конкурентоспособность готовой продукции, а также экологические аспекты, учитывающие жесткие требования по защите ОС. Новое производство, кроме готовой продукции, будет сопровождаться появлением больших объемов радиоактивных отходов (РАО) и вредных химических веществ (ВХВ), создающих значительную нагрузку на ОС. Только на ЭГМК будет ежегодно сбрасываться на хвостохранилище более 3,1·1014 Бк альфа-излучающих является полностью замкнутым, и для него разрешены контролируемые лимитированные выбросы и сбросы.

В процессе подготовки документации для разработки месторождений района стала очевидной необходимость внедрения современных методов комплексной оценки экологического состояния территории, использующих системный подход. Наиболее удобным и надежным инструментом для создания системы радиационного и химического экологического мониторинга были признаны географические информационные системы (ГИС), которые сочетают в себе информационные технологии на основе системного анализа, хранилищ данных, методов картографической визуализации обработанной информации. ГИС позволяет обеспечить долговременное хранение информации, дает возможность её эффективного вывода в наглядном виде, сохраняя преемственность формата данных при совершенствовании систем обработки и носителей информации.

Начало широкого внедрения геоинформационных технологий приходится на середину 1980-х годов, что связано с появлением соответствующей технической базы и программного обеспечения. Развитию геоинформационных технологий в задачах экологического мониторинга химических загрязнений посвящены работы ряда отечественных и зарубежных исследователей: У. Гаррисона (W. Garrison), Я. Макхарга (I. McHarg), Г. Маккарти (H. McCarty), Т. Хагерстранда (T. Hagerstrand), Р. Томлинсона (R. Tomlinson), Л.А. Бахвалова, Л.С. Гордеева, А.Ф. Егорова, К.Ю. Колыбанова, В.Ф. Корнюшко, Р.Е. Кузина, В.П. Мешалкина, А.И. Соболева, В.И. Равиковича, В.М. Тёмкина, Г.А. Ярыгина.

Однако проблема создания ГИС для экологических исследований применительно к химической промышленности, в частности к урановому производству, изучена ещё недостаточно. Это можно объяснить длительным отсутствием работ по предварительному экологическому исследованию разрабатываемых урановорудных районов, совпавшим с тем периодом времени, когда наблюдалось быстрое развитие новых информационных технологий. Таким образом, целенаправленные исследования в области экомониторинга за состоянием ОС в процессе совершенствования добычи и переработки урансодержащего сырья на основе системного подхода и геоинформационных технологий являются важными и актуальными.

Цель работы Целью диссертации является создание геоинформационной системы комплексной обработки данных для постоянной оценки воздействия на окружающую природную среду со стороны химических производств Эльконского урановорудного района с учетом экономических условий и требований экологии.

Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи.

1. Системный анализ информационных систем экомониторинга промышленных предприятий химического профиля.

2. Системный анализ источников эмиссии в окружающую среду – химикотехнологических процессов переработки урановых руд ЭГМК.

3. Исследование фоновых концентраций вредных химических веществ, сопутствующих урану, в районе месторождений «Дружное» и «Курунг»

для дальнейшей оценки динамики воздействия со стороны ЭГМК на окружающую природную среду.

4. Изучение и сравнительный анализ программных оболочек ГИС с целью выбора оптимальной для поставленной задачи с учётом существующих требований.

5. Анализ информационных потоков в системе обработки информации, получение оценки объемов и периодичности поступающей в систему информации.

6. Разработка концептуальной информационной моделей проектируемой ГИС и создание диаграммы потоков данных (DFD-модель).

7. Разработка с позиций системного подхода структуры масштабируемой геоинформационной системы на основе выбранной оболочки применительно к условиям строящегося предприятия.

Объект исследования Объектом исследования является региональная геоинформационная система по обращению с отходами при переработке урановых руд резервных месторождений «Дружное», «Эльконское плато» и «Курунг» Алданского урановорудного района.

Предмет исследования Предметом исследования является применение геоинформационной экологическом состоянии ОС урановорудного района, адаптации её для мониторинга отходов и управления процессами переработки, а также масштабируемость для нужд будущих предприятий химического профиля.

Научная новизна 1. Выполнен системный анализ источников эмиссии в окружающую среду Эльконского района как основы оценки воздействия на ОС.

возникновения и распространения отходов химического производства.

3. Разработана обобщенная структура и информационные слои системы по обращению с отходами при переработке урановых руд на ЭГМК.

проанализированы потоки данных ГИС.

5. Разработано формальное описание структуры хранилища данных и методика экспорта данных в форматы, совместимые с перспективным программным обеспечением.

Практическая значимость работы Создана и внедрена первая очередь региональной ГИС мониторинга по обращению с отходами ЭГМК – крупнейшего химического производства, создаваемого в рамках целевой программы «Уран России».

Разработаны концептуальная модель геоинформационной системы и диаграмма потока данных в ней (DFD-модель).

Система используется для технико-экономического обоснования инвестиций (ОБИН) и оценки воздействия на окружающую среду (ОВОС) при проектировании и промышленном освоении резервных урановых месторождений «Дружное» и «Курунг» Эльконского урановорудного района.

Структура системы позволит расширять её при вводе в эксплуатацию новых переработке урановых руд.

Методы исследования Структуризация и формализация предметной области выполнена на основе методов системного анализа (классификация, декомпозиция, формализация, композиция, моделирование, абстрагирование). Для создания ГИС использован аппарат математического моделирования, статистики и теории построения информационных систем, хранилищ данных, реляционных баз данных, языка структурированных запросов SQL, методы оптимизации.

Апробация работы Основные положения и результаты работы представлены на:

• XII международной научно-технической конференции «Наукоемкие химические технологии-2008» (ВолгГТУ, 2008 г.);

• 1-ом отраслевом научно-техническом совещании «Уран России» (Москва, • ежегодных международных научно-технических конференциях «Математические методы в технике и технологиях» (2007–2008 гг.);

• конференции «Сергеевские чтения 2008»;

• XI международной научно-инновационной конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов «Полярное сияние 2008»

(Санкт-Петербург, 2008 г.) • 2-ой научно-технической конференции молодых ученых «Наукоемкие химические технологии», МИТХТ им. М.В. Ломоносова, М., Публикации по теме диссертации По результатам работы опубликовано 6 печатных работ и 6 отчётов о НИР.

Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и трех приложений, изложенных на 106 страницах, включая библиографию из источников, 26 рисунков и 22 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении рассмотрены актуальность, теоретическая и практическая значимость работы, а также описываются задачи, предварившие создание Региональной ГИС по обращению с отходами Эльконского урановорудного района. Кратко сформулированы цель работы и постановка задачи.

окружающую среду» приведена статистика добычи урана по различным регионам мира. Рассмотрены технологические аспекты добычи урана, описаны методы урановорудного производства. Отмечается, что при добыче руд с содержанием урана 0,1% (что является обычным значением для российских руд) для получения 1 т оксида урана UО2 необходимо извлечь из недр примерно 1000 т. руды, не считая огромного количества пустой породы.

Месторождения Алданского района представлены, в основном, упорными рудами, что еще больше затрудняет получение урана. Все шире в практику внедряется комплексная переработка урановых руд с попутным извлечением другого ценого химического сырья (фосфор, ванадий, сера, молибден, железо, медь, золото, редкоземельные элементы).

Так как конечным продуктом химических предприятий начальной стадии ядерного топливного цикла является двуокись урана UО2 ядерной чистоты, то прежде, чем он будет получен, урановая руда подвергается большому числу различных физико-химических процессов переработки. Все эти индустриальные процессы сопровождаются попутным образованием большого количества твердых, жидких и газообразных радиоактивных и химических отходов, представляющих угрозу для здоровья людей и окружающей среды. В случае ЭГМК главными отходами являются горные отвалы при добыче и хвостохранилище гидрометаллургического завода.

В диссертации определены типовые отходы и проведен системный анализ источников эмиссии в окружающую среду. На Рис.1 представлены основные технологические процессы как источники загрязнения.

Рис. 1. Источники образования и выделения РАО и ВХВ.

На основании данных этого анализа разработаны условия для системы экологического мониторинга при проектировании производств. Тем самым частично решается задача условной многомерной оптимизации для себестоимостей получаемого урана и работ по поддержанию экологической безопасности урановорудного региона. Математически она представима в виде:

где S – вектор себестоимости получаемого урана (для совокупности критериев экологической безопасности); С – вектор себестоимости охранных и санационных работ для района; If – достигнутое значение критерия экологической безопасности; Ilow – минимально-допустимое значение критерия экологической безопасности; vi – вариант решения по управлению экологической безопасности; V – совокупность экологических ограничений, определяемая государственной политикой.

В качестве основных параметров для оценки воздействия на ОС региона выбраны:

• характеристики биосферы: тип и состав почвы, видовой состав флоры;

• содержание макро- и микроэлементов: Al, Fe, Ca, Si, Mg, Mn, P, Na;

• содержание подвижной формы шести анионов в твердых образцах: Cl-, F-, NO2-, NO3-, SO42-, PO43- ;

• содержание предполагаемых агентов загрязнения, в том числе тяжелых металлов: B, Ba, Be, V, Bi, Cd, Co, Cu, Mo, As, Ni, Hg, Sn, Pb, Ag, Sr, Sb, • активность техногенных радионуклидов: 137Cs, 90Sr, 239Pu;  • мощность дозы -излучения на высотах 3 см и 1 м от поверхности.

Обращается особое внимание на тот факт, что в настоящее время безопасности объектов урановой добычи в несколько раз, порой на порядок, превышают стоимость урана на мировом рынке.

информационные систем (ИС). Проводится их системный анализ для предприятий химического профиля. Его структурная схема приведена на рис. 2.

Окружающая среда  Рис. 2. Структурная схема системного анализа технологий переработки урановых руд.

Также дается общая схема структурной организации процесса мониторинга, приведенная на рис. 3. Основной целью экомониторинга является своевременное получение актуальной информации о состоянии окружающей среды, о чрезвычайных ситуациях техногенного и природного характера, а также оперативное оповещение и динамике изменения конкретной обстановки.

При разработке прикладных ГИС для предприятий химического профиля необходима проработка методического и алгоритмического обеспечения для реализации тех или иных блоков системы. Для этой цели представлены основные задачи экологического мониторинга (применительно к окружающей среде Алданского района):

• учет фонового уровня содержания химических и радиоактивных • учет возможных источников техногенной опасности, в том числе химических, радиоактивных, пожароопасных и др.;

• прогноз возможных негативных последствий радиоактивных и химических загрязнений;

• выявление направлений радиоактивного и/или химического загрязнения окружающей среды;

• контроль над использованием радиоактивных и химических веществ, отслеживание химических и радиоактивных отходов;

• мониторинг уровня радиоактивного и химического загрязнений, слежение за тенденциями изменений;

• обобщение полученной информации в рамках математических моделей, построение трендов;

• выработка рекомендаций по предупреждению и устранению чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера;

• обеспечение исполнительных органов предприятий и местной государственной власти объективной информацией о состоянии контролируемых объектов для принятия решений по предупреждению чрезвычайных ситуаций, защите населения и территорий.

Алгоритм экологического мониторинга, положенный в основу большинства подобных систем, строится, исходя из перечисленных задач. В том числе он использован и при создании Региональной ГИС (РГИСОО).

В конце главы дано определение объекту и предмету исследования, а также подробно описывается цель диссертационной работы.

Рис. 3. Структура организации экомониторинга.

Во второй главе «Системный анализ информационных комплексов экологического мониторинга» ставится круг задач, направленных на достижение цели работы и анализируются существующие информационные Описываются теоретические и практические методы исследования:

формализация, композиция, моделирование, абстрагирование;

• математические методы: аппарат математического моделирования, статистика, многомерная оптимизация;

• информационные методы: теория построения информационных систем, хранилищ данных, реляционных баз данных, языка структурированных запросов SQL, методы управления.

Создание геоинформационной системы делится на несколько частей:

разработка общей методики для будущей системы (создание абстрактной модели); реализация подробного алгоритма создания ГИС в рамках этой модели. На рис. 4 изображена структура методики создания ГИС.

вания к  По каждому пункту дается развернутое описание:

1. Основные требования к ГИС определяются следующими факторами:

1.1. переносимость системы и приложений;

1.2. аналитические возможности и возможности моделирования;

1.3. построение различных тематических карт;

1.4. построение расчетных диаграмм, схем и графиков;

1.5. работа с большими БД и создание информационно-поисковых систем;

1.6. дружественный интерфейс;

1.7. мнения экспертов;

2. Выбор программной оболочки: исходя из сравнительного анализа различных программных пакетов обработки географической информации было принято решение об использовании системы MapInfo Professional версии 8.0 как наиболее отвечающей заявленным требованиям к создаваемой 3. Кратко приведена операция привязки растровой карты к векторной схеме.

4. Формулируются основные понятия, используемые в ГИС. Дается описание методов, применяемых для создания структуры данных В третьей главе «Региональная геоинформационная система по обращению с отходами» описана программная реализация ГИС в рамках выбранной оболочки. На первом этапе создана концептуальная модель, описывающая структуру ГИС, свойства ее элементов и связи между ними.

Она представлена на рис. 5.

Пользовательский интерфейс Управление Рис. 5. Концептуальная модель геоинформационной системы.

В дальнейшем, на её основе построена диаграмма потоков данных (Data Flow Diagram – DFD), описывающая внешние источники и адресаты данных, внутренние механизмы, потоки и хранилища данных, к которым осуществляется доступ (рис. 6). Данная схема представлена в нотации Йордана-ДеМарко.

Непосредственный Графические Картографическая основа РГИСОО – топографическая растровая карта масштаба 1:200000 (рис. 7). Использованные подчинённые карты указаны в таблице 1. Пример такой карты приведен на рис. 8. Привязка координат контрольных точек была произведена по результатам полевых исследований с помощью данных системы позиционирования GPS. Погрешность подобного измерения составила ±40 метров, что составляет менее 0,1% в рамках масштаба использованной карты.

Рис. 7. Растровая базисная карта Эльконского урановорудного района (красными прямоугольниками обозначены границы месторождений) Водные объекты Месторождения Шахты Штольни Отвалы Рис. 8. Элемент карты РГИСОО с включенными подчиненными картами «Водные объекты» и «Шахты» (базисный растр отключен для лучшей наглядности).

отображаются выбранные тематические слои (рис. 9). Каждый слой может рассматриваться отдельно или в сочетании с другими слоями. Слой может иметь базисный растр в качестве подложки либо оперировать только векторными объектами. Это дает гибкость при визуализации того или иного результата, а также масштабируемость в плане добавления дополнительных тематических карт, использующих часть данных уже имеющихся, а также базисный растр.

Дается описание предварительной работы по определению фонового состояния окружающей среды, принимаемое в дальнейшем в качерстве проведенных в 2007-2008 годах, были проведены исследования проб и созданы протоколы испытаний исследованных образцов. В некоторых случаях установлено превышение содержания элементов относительно ПДК.

Выполнены дополнительные контрольные исследования концентраций вредных химических веществ для случаев, соответствующих порогу чувствительности основных методов определения.

В итоге установлено, что для подземных вод в качестве фоновых могут быть приняты следующие значения концентраций микроэлементов (табл. 2) Концентрация,