ПРОМЫШЛЕННАЯ...

$: ПРОМЫШЛЕННАЯ ЭКОЛОГИЯlibrary.psu.kz/fulltext/transactions/3232_aringazin_k.sh._semenova_… · УДК 504(076.5) Ш£Ж\яТ~~вт’Шт П81 Рекомендовано$
50П 8 1

Министерство образования и науки Республики Казахстан

Павлодарский государственный университет им. С. Торайгырова

ПРОМЫШЛЕННАЯ ЭКОЛОГИЯ

Павлодар

жГ/FI

Министерство образования и науки Республики Казахстан

Павлодарский государственный университетим. С. Торайгырова

Архитектурно-строительный факультет

Кафедра «Профессиональное обучение и защитаокружающей среды»

Посвящается 55-летию Павлодарского государственного университета

имени С. Торайгырова

ПРОМЫШЛЕННАЯ ЭКОЛОГИЯПрактикум для студентов специальности 5В073100 -

Безопасность жизнедеятельности и защитаокружающей среды

ПавлодарКереку2015

УДК 504(076.5)Ш £Ж \яТ ~~вт’Шт

П81

Рекомендовано к изданию учебно-методическим советом Павлодарского государсвенного университета

им. С. Торайгырова

Рецензенты:С. Р. Гирнис - канд. тех. наук, доц., Павлодарского

государственного университета имени С. Торайгырова.А. Ж. Асанбаев - канд. тех. наук, доц., Павлодарского

государственного педагогического института.

Составители: К. Ш. Арынгазин, М. К. Семенова, JI. М Беляева., Д. А. Алигожина, А. Х.Жакиянова.П81 Промышленная экология : практикум для студентов

специальности 5В073100 «Безопасность жизнедеятельности и защита окружающей среды» / сост. : К. Ш. Арынгазин и др. —Павлодар : Кереку 2015. —71 с.

«Промышленная экология» практикум рассматриваются традиционные и перспективные методы ограничения вредныхвыбросов в окружающую среду.

На практических занятиях проводится: оценка масштабовантропогенного загрязнения окружающей среды; знакомство с работой приборов и оборудования для очистки окружающей среды.

«Промышленная экология» практикум рекомендуется студентам специальности 5В073100 «Безопасность жизнедеятельности и защитаокружающей среды».

Ш Ш Ш Ш Ш Ш Ш Ш Ш т Ш Ш

С.Тораатындағы

академик С.атындағы

І П Т А П У

ыровf

УДК 504(076.5) ББК20.1я7

•■и* Г

Арынгазин К. Ш. и др., 2015 ПГУ им С. Торайгырова, 2015

За достоверность материалов, грамматические и орфографические ошибкиответственность несут авторы и составители

Введение

В теоретической части промышленной экологии рассматриваются традиционные и перспективные методы ограничения вредных выбросов в окружающую среду.

Практические занятия построены на системе стандартизации и критериях качества окружающей среды.

На практических занятиях проводится: оценка масштабов антропогенного загрязнения окружающей среды; знакомство с работой приборов и оборудования для очистки воздушного бассейна

На практике пользуются разработанными методическимиуказаниями по расчету выбросов, а также изучаются малотоксичныеустройства сжигания топлива и методы и средства контроля выбросов.

Студенты очень подробно изучают оборудование по очистке сточных вод, средства и методы очистки. Также рассматриваются варианты использования очищенных сточных вод.

Подробно изучаются методы очистки от аварийных разливов нефти. Изучают методы по очистке почвы от нефтепродуктов с дальнейшим использованием земель в сельском хозяйстве.

Активно изучается возможность получения энергии за счет альтернативных (нетрадиционных) ресурсов, таких, как энергия ветра, солнца, геотермальная и энергия волн, а также других источников.

3

1 Занятие по теме «Система стандартов и критерии качества окружающей среды»

Стандартизация в комплексе мер по обеспечению экологической безопасности биосферы - это разработка и внедрение в практику научно обоснованных, обязательных для выполнения технических требований и норм (стандартов), регламентирующих человеческую деятельность по отношению к окружающей среде.. Стандарты качества окружающей среды устанавливают государственные органы (Госстандарт Казахстана, Министерство здравоохранения и социального развития Казахской республики и другие министерства,комитеты, ведомства).

Требования по охране окружающей среды регламентируются втрех видах стандартов: общетехнических, на группу однородной продукции и на конкретные виды продукции.

Стандарты подразделяют на государственные (ГОСТ), отраслевые (ОСТ) и стандарты предприятий (СТП - существуют также: ТУ Ц технические условия; СН —■ санитарные нормы; СНиП — строительные нормы и правила; СанПиН — гигиенические нормативы; ПУЭ — правила устройства и безопасной эксплуатации; правила иинструкции).

Обозначения государственных стандартов состоят из номера системы (индекса) по классификатору (17 - индекс охраны природы. Номер системы стандартов в области промышленной безопасности и охраны труда - 12, в области чрезвычайных ситуаций - 22), шифра комплекса (классификационной группировки), шифра группы, порядкового номера стандарта и года его регистрации.

Структура государственного стандарта в области охраны природы расшифровывается следующим образом:

ГОСТ - Категории стандартов (государственный стандарт);17 Ц Номер системы (стандарты в области охраны природы);1 - Шифр комплекса;0 - Шифр группы;0 1 - Порядковый номер стандарта;75 - Год регистрации стандарта.Первый разработанный стандарт ГОСТ 17.0.0.01 «Система

стандартов в области охраны природы и улучшения использования природных ресурсов. Основные положения» был введен 1 января 1977 г. и установил систему стандартов, направленных на охрану природы(таблицы 1.1, 1.2).

4

Комплекс стандартов безопасности в чрезвычайных ситуациях (БЧС) включает 12 групп. В каждой группе порядковую нумерацию имеют порядковую нумерацию от 0 до 9.

Таблица 1.1 - Комплексы природоохранных стандартов

Шифр группы Комплекс стандартов Кодовоенаименование

0 Организационно-методические - вобласти охраны природы

В т "

1 По охране и рациональному использованию вод

Г идросфера

2 По защите атмосферы*» * _ _.... ^

Атмосфера3 По охране и рациональному

использованию почвПочвы

4 По улучшению использования земель

Земли

5 По охране флоры Флора6 По охране фауны

>— —*■■■■ 1 1 .А.... .— — — —

Фауна7 По охране и преобразованию

ландшафтовЛандшафты

8 По охране и рациональному использованию недр

Недра

Таблица 1.2 - Классификация системы стандартов в области охраны

Шифр группы Г руппа стандартов0 Основные положения1 Термины, определения, классификация2Шк Показатели качества природных сред, параметры

загрязняющих выбросов (сбросов) и показатели интенсивности использования природных ресурсов

3 Правила охраны природы и рационального использования природных ресурсов

4 Методы определения параметров состояния природных объектов и интенсивности хозяйственного воздействия

5 Требования к средствам контроля и измерений состояния окружающей природной среды

6 Требования к устройствам, аппаратам и сооружениям по защите окружающей среды от загрязнений

7 Прочие стандарты

5

Классификация стандартов БЧС по группам, приведена в таблице 13

Таблица 1.3 - Классификация стандартов БЧСШифр группы Г руппа стандартов

10, И

Основополагающих

Кодовое наименование Основные положения

На мониторинг и прогнозирование

Мониторинг и прогнозирование

На обеспечение безопасности: объектов народного хозяйстванаселенияпродовольствия, пищевого сырья и кормов__________

Безопасность: объектов народного хозяйстванаселения продовольствия

сельскохозяйственных животных и растений водоисточников и системводоснабжения______На средства и способы управления, связи и оповещенияНа ликвидацию чрезвычайных ситуаций

В области техническогооснащения аварийно- спасательных формирований, средств специальной защиты и экипировки спасателей Резерв

животных и астений

воды

Управление, связь, оповещение

ЛиквидациячрезвычайныхситуацийАварийно-спасательныесредства

Отраслевые стандарты (нормы), например, в строительстве нефтегазовых объектов распространяются на инженерные изыскания,

проектирование и строительство наземных и подземных магистральных и промысловых трубопроводов, дорог и других объектов обустройства газовых и нефтяных месторождений. Основным документом являются Ведомственные строительные нормы (ВСН - 89) «Строительство магистральных и промысловых трубопроводов. Охрана окружающей среды». В отрасли разработаны

6

также методические рекомендации по экологической паспортизации объектов, строительных организаций и предприятий; типовые природоохранные разделы (эталоны природоохранных разделов) проектов организации строительства (ПОС) и проектов производства работ (ППР) - аналогов стандартов предприятий.

Работы по стандартизации продолжаются, растет числомежгосударственных стандартов СНГ. В настоящее время действуютболее 110 государственных стандартов в этой области. Ежегодносоставляется программа по разработке новых и пересмотрудействующих стандартов. Поэтому число федеральных стандартов,соответствующих стандартам МОС (ISO — международнаяорганизация по стандартизации) и МЭК (ISO — международнаяэлектротехническая комиссия), планомерно увеличивается и сегодня составляет около 80 %.

1.1 Стандарты серии 14000 (ISO/ТС — технический комитет)Международной организацией по стандартизации приняты

первые стандарты серии 14000 по управлению качеством окружающей среды.

Эти стандарты:1) ISO 14001 «Системы управления качеством окружающей

среды. Общие требования и рекомендации по использованию», 1996 г.;2) ISO 14004 «Системы управления качеством окружающей

среды. Общие принципы управления качеством окружающей среды, системы качества и поддерживающая техника», 1996 г.;

3) ISO 140010 «Руководство по аудиту окружающей среды. Общие принципы», 1996 г.;

4) ISO 140011-1 «Руководство по аудиту окружающей среды.Процедуры аудита. Часть 1. Аудит систем управления качеством окружающей среды», 1996 г.;

5) ISO 14012 «Руководство по аудиту окружающей среды. Квалификационные требования к аудиторам», 1996 г.;

6) ISO 14020-14025 «Экологическое маркирование: основные принципы и требования, предъявляемые к сертификации продукции, термины и определения, практическая программа, сертификационная процедура для продуктов», 1998 г.;

7) ISO 14031 «Оценка экологических показателей СУП», проект представлен на рассмотрение Техническому комитету в 2000 г.;

8) ISO 14040-14043 «Оценка жизненного цикла», проект представлен на рассмотрение в 2000 г.;

9) ISO 14050 «Термины и определения», 1998 г.

7

Эти стандарты отражают обостренное внимание мировои общественности к вопросам экологии, согласованы с развитыми ишироко применяемыми стандартами ISO 9000.

Стандарты, например по экологической сертификации, соответствуют стандартам ISO 14000 по системам и управления природопользованием и носят название ГОСТ ISO 1400-98, 14004-98 и 14050-99. Эти международные стандарты разработаны Техническим комитетом 207 (ТК 207) и утверждены Международной организацией по стандартизации (ISO) в январе 1993 г.

В настоящее время стандарты серии 14000 носят не обязательный, а рекомендательный характер. Но предприятия в случае применения этих стандартов приобретают возможность международной сертификации собственных систем экоуправления, тем самым повышая инвестиционную привлекательность и облегчаяпроцедуру экострахования.

Документы в области стандартизации:- государственные, отраслевые стандарты;- правила, нормы и рекомендации по стандартизации;- классификаторы технико-экономической и социальной

информации;- стандарты предприятий.Принципы технического регулирования требований к продукции,

процессам производства, эксплуатации, хранения, перевозки, реализации и утилизации будут осуществляться на основе общих» и специальных технических регламентов.

1.2 Нормирование загрязняющих веществ в биосфереНормирование качества окружающей природной среды

определяется как деятельность уполномоченных государственных органов по установлению экологических нормативов (показателей предельно допустимых воздействий человека на окружающую природную среду) в соответствии с требованиями природоохранного законодательства, так как качество атмосферного воздуха — совокупность его физических свойств, отражающих степень соответствия гигиеническим и экологическим нормативам. За экологический норматив принимается установленная величина использования природных ресурсов или техногенного воздействия на экосистемы и отдельные ее компоненты, при которой функционально структурные характеристики экосистем не выходят за пределы естественных изменений. Нормативы качества окружающей природной среды подразделяются на три группы:

8

1) санитарно-гигиенические - предельно допустимые концентрации вредных веществ (ПДК ВВ) и предельно допустимые уровни (ПДУ) физических, биологических и других воздействий, определяющие численные показатели качества окружающей среды относительно здоровья человека;

2) производственно-хозяйственные - нормативы выбросов,сбросов вредных веществ:

| ПДВ - предельно допустимые выбросы;- ПДС - предельно допустимые стоки;- ВСВ - временно согласованный выброс;- ВДК — временно допустимая концентрация;- технические (технологические), строительные и другие

правила, содержащие экологические требования к источникувредного воздействия, ограничивающие его негативное воздействие пороговой величиной.

3) комплексные - нормативы, сочетающие признаки первой и второй групп. Предельно допустимая (критическая) нагрузка (ПДН) является показателем воздействия одного или нескольких вредных факторов на окружающую природную среду. Превышение критических нагрузок может привести к вредному воздействию на природные ресурсы и человека.

Для предотвращения (снижения) отрицательных последствий воздействия загрязняющих веществ на атмосферу, литосферу и гидросферу необходимо знать их предельные уровни, при которых обеспечивается нормальная жизнедеятельность. Информация, характеризующая состояние природной среды, оценивается по специально разработанным критериям или нормативам. Основная величина экологического нормирования качества природной среды - ПДК ВВ в биосфере - воздухе, воде и почве. В общем случае ПДК - это такое содержание вредных веществ в окружающей среде, которое при постоянном контакте или воздействии за определенный промежуток времени практически не влияет на здоровье человека и не вызывает неблагоприятных последствий у его потомства. ПДК ВВ устанавливают на основе токсикометрических оценок, с раздельным нормированием уровней загрязнения, например, воздуха, в рабочих зонах и в населенных пунктах.

Классификация предельно допустимых концентраций (ПДК) включает в себя:

1) максимальную разовую в рабочей зоне (ПДКР 3);2) максимальную разовую на территории (площадке) •

предприятия (ПДКпл = 0,3 ПДКР З);

9

3) в атмосферном воздухе населенного пункта (ПДКд в)*У максимальную разовую (ПДКм,р),- максимальную разовую для крупных городов и курортов

(0,8 mjp),- среднесуточную (ПДКс.с)-

Фактическое загрязнение атмосферы воздуха городов инаселенных пунктов оценивают по пятибалльной шкале: I — допустимое; II — умеренное,* III — слабое,* IV — сильное, V — оченьсильное.

Загрязнения I степени безопасны для населения. Приводятся сведения о классе опасностей вещества совместно с ПДК. В приложениях 4 и 5 даны значения ПДКН р, ПДКс.с и ПДКр.з,наиболее часто встречающихся в промышленности ВВ.

При погрузочно-разгрузочных работах наиболее опасны кремнесодержащие пыли. ПДК таких пылей устанавливают в зависимости от процентного содержания в них кремнезема. Требования к методикам измерения концентраций вредных веществ ввоздухе рабочей зоны приведены в ГОСТ 17.2.4.02-84.

Контрольные вопросы

1. Что понимается под словом «стандартизация» для обеспеченияэкологической безопасности биосферы?

2. Кем устанавливаются стандарты качества окружающей среды?3. Расшифруйте сокращенные названия стандартов: ГОСТ; ОСТ;

СТП; БЧС.4. Перечислите комплексы природоохранных стандартов и их

кодовые названия.5. Перечислите кодовые наименования стандартов.6. Что дает предприятиям соблюдение стандартов серии 14000?7. Что принимается за качество атмосферного воздуха?8. Нормативы качества окружающей природной среды

подразделяются на три группы. Перечислите их.9. Факт загрязнения воздуха городов оценивается по

пятибалльной системе. Оцените в баллах: допустимое, слабое,сильное.

10

2 Занятия по теме «Характеристика сточных вод. Методы очистки сточных вод»

На практических занятиях рассматриваются методы очистки сточных вод промышленных предприятий.

Различают два основных пути очистки сточных вод: разбавление и очистка их от загрязнений. Разбавление не ликвидирует воздействия сточных вод, а лишь ослабляет его на локальном участке водоема. Основной путь - очистка сточных вод от загрязнений.

Методы очистки производственных и бытовых вод можно подразделить на следующие группы: механические, физикохимические, химические, биологические и термические. По своей сути эти методы могут быть рекуперационными и деструктивными. Рекуперационные методы предусматривают извлечение из сточных вод всех ценных веществ и последующую их переработку, деструктивные - разрушение загрязняющих веществ путем их окисления или восстановления, в результате чего образуются газы или осадки.

Очищенные сточные воды могут сбрасываться в водоемы (что нежелательно), направляться в оборотные системы водообеспечения промышленных предприятий и на орошение технических сельскохозяйственных культур.

На рисунке 2.1 показана общая схема очистки сточных вод

3

~ 7 * ........4 — Н 5 — *1 6

а

1 І 7 г -

1

а

И 2К1---------

т • 1

1 — необработанные сточные воды; 2 — устройство для регулирования состава и расхода сточных вод; 3 — сооружения механической очистки;4 — сооружения других групп очистки; 5 - сооружения глубокой очистки; 6 - сооружения по обеззараживания сточных вод; 7 - осадок или избыточная биомасса; 8 - очищенные сточные воды; 9 - сооружения по обработке осадка; 10 — обработанный осадок

Рисунок 2.1 — Общая схема очистки сточных вод

11

2.1 Методы механическом очисткиМеханическая очистка применяется для выделения из сточных

вод нерастворенных минеральных и органических примесей, для чего используют гидромеханические процессы (периодические и непрерывные) процеживания и отстаивания (гравитационное и центробежное) а также фильтрование. Выбор метода зависит от размера частиц примесей, физико-химических свойств и концентрации взвешенных частиц, расхода сточных вод инеобходимой степени очистки.

Процеживание и отстаивание. Процеживание производитсячерез решетки или сита в зависимости от величины и гидравлических свойсв выделяемых частиц. Решетки бывают подвижные и неподвижные. При очистке малых и средних количеств сточных вод используют неподвижные решетки.

Для извлечения из сточных вод ценных продуктов, находящихся в нерастворенном состоянии, используются сита барабанные и дисковые.

Для улавливания из сточных вод примесей минерального происхождения, главным образом песка геометрической крупности0,15 мм и выше, применяют песколовки, которые по направлению движения воды подразделяются на горизонтальные, вертикальные и свращательным движением воды.

Принцип действия песколовки основан на том, что под влиянием сил тяжести частицы, удельный вес которых больше, чем удельный вес воды, по мере движения их вместе с водой в резервуаре оседаютна дно.

Песколовки бывают:- горизонтальные, в которых вода движется в горизонтальном

направлении;- вертикальные, в которых вода движется вертикально вверх и

круглые с винтовым поступательно-вращательным движением воды.При механической очистке из производственных сточных вод

путем процеживания, отстаивания и фильтрования удаляется до 90% нерастворимых механических примесей различного характера (песок,глинистые частицы, окалина и другие).

В целях очистки сточных вод от нефтепродуктов также широко применяется метод отстаивания, который в данном случае основан на способности самопроизвольного разделения воды инефтепропродуктов.

Выделение нефтепродуктов производится в нефтеловушках Грязная вода подается в приемную камеру и, пройдя под первой

12

перегородкой, попадает в отстойную камеру, где и происходит процесразделения воды и нефтепродуктов. Очищенная вода выводится изнефтеловушки, а нефтепродукты образуют пленку на поверхностиводы и удаляются по перфорированным нефтесборным трубам.Подобные образом устроены жироловушки, маслоловушки и смололовушки.

Для задержания оседающих и плавающих примесей применяют отстойники, которые по направлению движения воды делятся на горизонтальные и вертикальные. К отстойникам с горизонтальным движением воды относятся также радиальные

Фильтрование - удаление взвешенного вещества из воды путем пропускания ее через слой пористого материала или через сетки с изменяющимся размером отверстий. С помощью этого метода очищают сточные воды, содержащие тонкодисперсные примеси в небольшой концентрации.

В основном распространены сетчатые фильтры и фильтры с зернистой загрузкой. К сетчатым фильтрам относятся барабанные сетки и микрофильтры. Зернистые фильтры бывают с. нисходящими (сверху вниз) и восходящим (снизу вверх) потоками. При этом на первой ступени фильтрации движение воды осуществляется снизу вверх, а на второй ступени - сверху вниз.

Удаление взвешенных примесей под действием центробежных сил.

С этой целью применяют гидроциклоны, которые относятся к сооружениям гравитационно-отстойного типа с вращательным движением в рабочей зоне, создаваемым тангенциальным подводом осветляемой воды к цилиндрическому корпусу.

Используются открытые и напорные гидроциклоны. Открытые гидроциклоны, по производительности существенно превосходящие отстойники, применяют для выделения из сточных вод оседающих и всплывающих веществ. Напорные гидроциклоны, изготавливаемые из нержавеющей стали, применяют для выделения из сточных вод примесей минерального происхождения, плотность которых значительно отличается от плотности воды.

Преимущество гидроциклонов заключается в высокой удельной производительности; сравнительно низких капитальных затратах на строительство, компактности и возможности автоматизации их работы. В тоже время недостатком гидроциклонов, в частности, напорных является большой расход электроэнергии и быстрый износ стенок в связи с абразивностью извлекаемых веществ.

13

Для повышения производительности гидроциклоны малого диаметра объединяют в общий агрегат, в котором они работаютпараллельно.Такие агрегаты называют мультигидроциклонами.


1. От чего зависит выбор метода очистки?2. Перечислите методы механической очистки.3. Для чего при механической очистке используют решетки и

сита?4. Как удаляются из сточных вод нефтепродукты?5. Для чего проводится фильтрование сточных вод?6. С помощью какого оборудования происходит удаление

взвешенных примесей?

2.2 Химические методыХимические методы очистки применяют для удаления

растворимых веществ в замкнутых системах водоснабжения, а иногда и для дополнительной очистки сточных вод до или после биологической очистки. Наиболее часто с помощью химической очистки удаляют ионы тяжелых металлов. Основными приемами химических методов очистки сточных вод являются нейтрализация, окисление-восстановление и осаждение малорастворимых соединений.

Нейтрализация применяется для обработки производственных сточных вод, содержащих щелочи и кислоты. Предварительная нейтрализация указанных вод является обязательной процедуройперед сбросом их в водоем.

В целях нейтрализации кислых вод применяют щелочныереагенты: известь СаО, гашеную известь Са(ОН)2, кальцинированнуюсоду Na2C03, каустическую соду NaOH, аммиачную воду, а такжефильтрование через нейтрализующие материалы природногопроисхождения: известняк СаСОз, доломит CaCtVMgCfb и др.

При нейтрализации сточных вод, содержащих серную кислоту, ее концентрация не должна превышать 1,5 г/л, так как при большей концентрации поверхность нейтрализующих материалов покрывается плотным слоем малорастворимого гипса CaS04-2H20, и процесснейтрализации прекращается.

Для нейтрализации щелочных вод наиболее часто применяютсясерная H2S04, соляная НС1 и азотная HN03 кислоты. В ряде производствиспользуют также выбросные газы, содержащие СО2, SO2, NO2, N2O3 и

14

др., в частности, дымовые газы. При этом происходят нейтрализация сточных вод и одновременная очистка производственных газовых выбросов от токсичных компонентов. Преимуществом подобной технологии также является исключение кислот для нейтрализации и возможность создания бессточной системы водопотребления. Схема такого нейтрализатора с мешалкой представлена на рисунке 2.2.

Нейтрализация щелочных вод дымовыми газами используется в ряде производств, в том числе и асбестоцементном производстве.

Рисунок 2.2 - Нейтрализатор сточных вод

Окисление и восстановление как метод очистки применяется для обезвреживания промышленных сточных вод от цианидов, сероводорода, сульфидов, соединений ртути, мышьяка, хрома. В процессе окисления токсичные загрязнения переходят в менее токсичные. В качестве окислителей обычно используют хдор С12, диоксид хлора СЮ2, гипохлориты натрия NaCIO и кальция Са(С10)2, перманганат калия КМПО4, дихромат калия К2СГ2О7, пероксид водородаН202 и др.

Озон, в силу своей высокой окислительной способности, уже принормальной температуре разрушает многие органические компонентысточных вод. Благодаря озонированию одновременно происходятобесцвечивание и обеззараживание сточной воды, а также насыщение ее кислородом (рисунок 2.3).

15

1 - смеситель; 2 - насос; 3 - барботажный абсорбер; 4 - сборник;5 - озонаторная установка; 6 - аппарат дли очистки отходящих

Рисунок 2.3 - Схема установки для очистки сточных вод методом озонирования

Эффективность озонирования существенно повышается, а следовательно, сокращается и длительность процесса очистки, если совместно использовать ультразвук и озон или УФ-облучение и озон.

Методы восстановительной очистки сточных вод применимы в тех случаях, когда они содержат легко восстанавливаемые вещества, вчастности, соединения ртути, хрома и мышьяка.

Ионы тяжелых металлов: цинка, меди, ртути, кобальта, кадмия, никеля, мышьяка, свинца и хрома можно удалить из промышленных сточных вод, переводя их в малорастворимые соединения с последующим отделением осадка от воды.


1. Для чего проводится нейтрализация сточных вод?2. Какие химические вещества используют как окислители?3. Каким методом переводят токсичные загрязнения в менее

токсичные?

2.3 Физико-химические методы очистки сточных водЭти методы используют для удаления из сточных вод

тонкодисперсных взвешенных частиц (твердых и жидких), растворимых газов, минеральных и органических веществ. Они применяются как самостоятельные, так и в сочетании с механическими и биологическими методами. В последние годы область применения физико-химических методов очистки (рисунок 2.4) расширяется, причем они наиболее эффективны при локальной очистке сточных вод промышленных предприятий.

16

Коагу/іянгп

1 - емкость для приготовления растворов; 2 - дозатор; 3- смеситель; 4 - камера хлопьеобразования; 5 - отстойник

Рисунок 2.4 - Схема установки для очистки вод коагуляцией

Коагуляция - процесс укрупнения дисперсных частиц загрязняющих веществ в результате их взаимодействия и объединения в агрегаты. Укрупнение происходит под влиянием добавляемых коагулянтов, чаще всего солей сульфата железа, сульфата алюминия, гидроксо-хлорида алюминия и хлорида железа, что приводит к дестабилизации коллоидной системы и агрегированию высокодисперсных частиц в более крупные конгломераты-взвеси.

Флокуляция — процесс агрегации взвешенных частиц при добавлении в сточную воду высокомолекулярных соединений, называемых флокулянтами. Применяют природные (крахмал, декстрин) и синтетические (полиакриламид, активный диоксид кремния) флокулянты.

Электрокоагуляция применяется для очистки сточных вод от хрома и других тяжелых металлов, а также от цианидов.

Электрокоагулятор снабжен блоком электродов. На электроды подается постоянный ток, под влиянием которого дисперсные системы сточных вод становятся менее устойчивыми, они коагулируют с трудно растворимыми гидрооксидами железа или алюминия, которые возникают и переходят в воду с электродов. Далее сточные воды поступают в отстойник, где образуются агрегаты, выпадающие в осадок.

Флотация применяется для очистки производственных сточных вод от нерастворимых диспергированных примесей, которые самопроизвольно плохо отстаиваются: нефти, нефтепродуктов, масел, жиров, волокнистых частиц. Сам процесс флотации заключается в образовании в толще воды газовых пузырьков (чаще воздушных), прилипании частиц примеси к поверхности раздела газовой и жидкой фазы, всплывании этих комплексов на поверхность обрабатываемой

17

сточной жидкости и удалении образовавшегося пенного слоя.Различают следующие методы флотационной обработки сточной

воды: перенасыщение сточной воды воздухом и механическую.Флотацию за счет перенасыщения сточной воды воздухом

подразделяют на вакуумную и напорную. При вакуумной флотации сточную воду предварительно насыщают воздухом при атмосферном давлении в аэрационной камере, а затем направляют во флотационную камеру. Выделяющиеся в верхнюю часть камеры пузырьки воздуха выносят загрязнения на поверхность воды. Напорная флотация протекает в две стадии: насыщение сточной воды воздухом под избыточным давлением и последующее резкоеснижение давления до атмосферного.

Всплывающая масса непрерывно удаляется механизмом длясгребания пены в сборники.

Адсорбцию используют для обезвреживания сточных вод отфенолов, гербицидов, пестицидов, ПАВ, красителей, ароматических нитросоединений и др. Достоинствами метода являются высокая эффективность, возможность очистки сточных вод, содержащих несколько веществ, а также рекуперация этих веществ.

Адсорбционная очистка вод может быть регенеративной, т. е. с извлечением вещества из адсорбента и его утилизацией, и деструктивой, при которой извлеченные из сточных вод вещества уничтожаются вместе с адсорбентом. В качестве адсорбентов используют активные угли, синтетические сорбенты (силикагели, алюмогели) и некоторые отходы производства (зола, шлаки, опилки и др.). Процесс адсорбционной очистки сточной воды ведут вспециальных аппаратах - адсорберах.

Ионный обмен применяется для извлечения из сточных водтяжелых металлов (цинка, меди, хрома, свинца, ртути, кадмия, ванадия, марганца и др.), а также соединений мышьяка, фосфора, цианидов и радиоактивных веществ.

Ионный обмен представляет собой процесс взаимодействия раствора с твердой фазой, обладающей свойствами обменивать собственные ионы на другие ионы в растворе. Вещества, составляющие эту твердую фазу, носят название ионитов, те из них, которые способны поглощать из растворов электролитов положительные ионы, называются катионитами, отрицательные ионы — анионитами.

Иониты - бывают неорганические и органические. Это могут быть природные вещества или вещества, полученные искусственно. К неорганическим природным ионитам относятся глинистые

18

материалы, цеолиты, полевые шпаты, слюды, к неорганическим синтетическим - силикагели, пермутиты. Наибольшее значение для очистки сточных вод приобрели ионообменные смолы — органические искусственные иониты. Они представляют собой высокомолекулярные соединения, углеводородные радикалы которых образуют пространственную сетку с фиксированными на ней ионообменными функциональными группами. Пространственная углеводородная сетка (каркас) называется матрицей, а обменивающиеся ионы - противоионами. Каждый противоион соединен с противоположно заряженными ионами, называемыми фиксированными, или анкерными. Полимерные углеводородные цепи, являющиеся основой матрицы, связаны (сшиты) между собой поперечными связями, что придает прочность каркасу. На рисунке 2.5 приведена схема ионообменной установки.

1 - колонна; 2 - слой ионита; 3 - решетка; 4 - распределители потоков

Рисунок 2.5 — Ионообменная установка

Экстракция применяется для очистки сточных вод, содержащих фенолы, масла, органические кислоты. Экстракция состоит из трех стадий. Первая стадия — интенсивное смешение сточной воды с экстрагентом (органическим растворителем). В условиях развитой поверхности контакта между жидкостями образуются две жидкие

С т очная яю до

П р о м ы вн а я 0 o a a I ^ " маР Ч »ум ици іі

Промывная О ч и а а м н а я в о д а

раствор

19

фазы. Одна фаза - экстракт содержит извлекаемое вещество и экстрагент, другая — рафинат — сточную воду и экстрагент. Вторая стадия — разделение экстракта и рафината; третья стадия — регенерация экстрагента из экстракта и рафината.

Экстрагент должен отвечать следующим требованиям: растворять извлекаемое вещество значительно лучше, чем вода, обладать большой селективностью растворения, значительно отличаться по плотности от сточной воды (обычно меньше), поскольку только достаточная разность плотностей обеспечивает быстрое и полное разделение фаз; регенерироваться простым идешевым способом.

Основными аппаратами установок являются смесители, гдесточные воды перемешиваются с экстрагентом, и отстойники.

Обратный осмос заключается в фильтровании растворов неорганических или органических веществ через полупроницаемые (молекулы воды проходят, молекулы растворенных веществ - нет)перегородки (мембраны).

В обратноосмотических аппаратах образуются два потока -опресненная вода и рассол.

Ультрафильтрация основана на разделении растворов фильтрованием через мембраны с диаметром пор 5—200 нм, в то время как при обратном осмосе используются мембраны с диаметром пор до 1 нм. В качестве материала мембран используются ацетат целлюлоза,полиамиды и другие полимеры.

Электрохимическая очистка применяется для очистки сточных вод от различных растворимых диспергированных примесей; к ней относятся:

1) разложение нежелательных примесей за счет анодногоокисления и катодного восстановления;

2) удаление растворенных неорганических соединений с использованием полупроницаемых мембран (электродиализ);

3) разложение примесей путем электролиза с использованием растворимых анодов и получение нерастворимых соединений,выпадающих в осадок.

Все эти процессы протекают на электродах при пропусканиичерез сточную воду постоянного электрического тока.

В процессе электрохимического окисления загрязняющие вещества (цианиды, амины, альдегиды, нитросоединения и т. д.), находящиеся в сточных водах, полностью разлагаются

Катодное восстановление применяют при очистке сточных вод, содержащих трудноокисляемые органические соединения или ионы

20

.2+ А |Щ§ т 1 2+ Ш 6+осаждаются/ / — — 7 — w a A i r a m

и могут быть в дальнейшем использованы.При сочетании анодного окисления и катодного восстановления,

очистку сточных вод от нитробензола проводят в две стадии - восстановлением до аминов и последующим их анодным окислением до нетоксичных соединений.

Метод электродиализа используют для удаления солейсточныханионов.

изюд под действием электродвижущей силы катионов и В специальном устройстве —

наэлектродиализаторе -

отделениятри двумяэлектролитическая ванна разделенадиафрагмами (рисунок 2.6). В крайних отделениях размещают электроды.

С помощью электродиализа очищают сточные воды от соединений фтора, хрома, радиоактивных загрязнений, а также от растворенных солеи. При помощи этого метода можно получать кислоты и щелочи и вновь использовать их в производстве.

1 — анод; 2 — катод; 3 — анодная диафрагма; 4 — катодная диафрагма; 5 - анионопроницаемая диафрагма; 6 - катионопроницаемая диафрагма

Рисунок 2.6 - Схемы электрохимически неактивных (а) и электрохимически активных (б) диафрагм для очистки сточных вод методом электродиализа

Перегонка и ректификацияПростая перегонка осуществляется путем постепенного

испарения сточной воды. Метод применяется для удаления соединений, которые имеют температуру кипения ниже температуры кипения воды (ацетон, спирты и т. д.).

Перегонку с водяным паром (эвапарацию) или другим инертным носителем применяют для удаления легколетучих

21

соединений (аммиака, аминов, фенолов). Перегонку производят в периодически действующих аппаратах или непрерывно действующих дистилляционных колоннах. Принципиальная схема пароотгонной колонны показана на рисунке 2.7. При пропускании навстречу острому пару через эвопарационную колонну 1 с насадкой сточная жидкость нагревается до 100°С. Находящиеся в ней летучие примеси переходят в парообразную фазу и удаляются вместе с паром. Пар, прошедший эвапарационную колонну, подается в поглотительную колонну 2, где происходит удаление захваченных им из сточной воды веществ.

растворитель для очистки пера

Рисунок 2 .71 Схема эвапорационной установки

Азеотропная перегонка основана на способности ряда органических соединений образовывать друг с другом или с водой нераздельно кипящие смеси, имеющие температуру кипения ниже температуры кипения воды. В этом случае извлекаемое соединение вместе с дистиллятом поступает на дальнейшую переработку.

Ректификация используется для разделения жидких смесей путем многократного массообмена между паровой и жидкой фазами, движущимися противотоком друг к другу. При этом жидкость при движении по колонне сверху вниз обогащается высококипящими соединениями, а пар, движущийся вверх, — низкокипящими.


1. Для чего вводят в сточные воды коагу лянты и флокулянты2. Рассказать о методе «флотация».3. Каким методом и как обезвреживают сточные воды от

22

фенолов, гербицидов, пестицидов и им подобным?4. Как проводится электрохимическая очистка?5. При каком методе после очистки сточных вод получаются

кислоты, щёлочи, которые используются в производстве?6. Когда применяется перегонка и ректификация?

2.4 Термические методы очистки сточных водНа химических предприятиях образуются сточные воды,

содержащие различные минеральные соли (кальция, магния, натрия и др.), а также широкий спектр органических веществ. Такие воды могут быть обезврежены термическими методами:

1) концентрированием сточных вод с последующим выделением растворенных веществ;

2) огневым обезвреживанием.Метод концентрирования используют для обезвреживания

минеральных сточных вод. Он позволяет выделять из стоков соли с получением условно чистой воды, пригодной для оборотного водоснабжения.

Процесс разделения минеральных веществ и воды может быть проведен в две стадии: стадия концентрирования и стадия выделения сухих веществ (рисунок 2.8).

Концентрированные сточные воды можно непосредственно направлять на выделение сухого продукта, например, в распылительную сушилку.

Концентрирование сточных вод может быть проведено в испарительных (выпаривание при нагреве) или вымораживающих (холодильных) установках. Процесс вымораживания заключается в том, что при температуре ниже температуры замерзания чистая вода образует кристаллы чистого льда, а рассол с растворенными в нем солями размещается в ячейках между этими кристаллами. Если снижение температуры в процессе замораживания идет медленно, то образуется сравнительно крупные игольчатые кристаллы с небольшим включением рассола, что способствует при оттаивании получению менее минерализованной воды.

23

1 — концентрирование; 2 — выделение сухих веществ

Рисунок 2.8 - Стадии разделения минеральных веществ и воды

Для выделения веществ из концентрированных растворов используют методы кристаллизации и сушки. Кристаллизация с применением погружного горения является наиболее эффективным приемом испарения жидкости. Погружное горение - это сжигание газообразного топлива в специально сконструированной горелке под поверхностью жидкости. Газы, охлаждаясь, выходят из раствора при температуре, близкой к температуре жидкости.

Сушку чаще всего осуществляют в распылительных сушилкахДля отделения высушенного материала от газового потока

применяют циклоны, рукавные фильтры, электрофильтры. Сущность огневого обезвреживания сточных вод заключается в распылении их непосредственно в топочные газы, нагретые до 900- 1100°С. При этом вода полностью испаряется, а органические примеси сгорают до нетоксичных соединений. Находящиеся в воде минеральные вещества образуют твердые или оплавленные частицы, которые улавливают в циклонах или фильтрах. Кроме того, огневой метод предпочтителен, если имеются горючие отходы, которые можно использовать какТ О П Л И В О . . ^ - Л.


1. При каком методе можно выделить условно чистую воду и гдеона применяется?

2. При каком методе образуется минерализованная вода?3. При каком методе проводят сжигание органических примесей,

находящихся в сточной воде?

24

2.5 Биохимические методы очистки сточных водЭти методы применяют для очистки хозяйственно-бытовых и

промышленных сточных вод от многих растворенных органических и некоторых неорганических (сероводорода, аммиака, сульфидов, нитритов и др.) веществ. Процесс очистки основан на способности определенных микроорганизмов использовать указанные вещества для питания: органические вещества для микроорганизмов являются источником углерода. Микроорганизмы частично разрушают их, превращая в С02, Н20, нитрат- и сульфат-ионы, частично используют для образования собственной биомассы. Процесс биохимической очистки по своей сути - природный, его характер одинаков для процессов, протекающих как в природных водоемах, так и в очистных сооружениях.

Биологическое окисление осуществляется сообществом микроорганизмов (биоценозом), включающим множество различных бактерий, простейших и более высокоорганизованных организмов (водорослей, грибов), связанных между собой в единый комплекс сложными взаимоотношениями. Это сообщество называют активным илом. Известны аэробные и анаэробные методы биохимической очистки сточных вод.

Аэробный процесс. Для его осуществления используются группы микроорганизмов, для жизнедеятельности которых необходимы специальные условия.

Аэробная очистка сточных вод проводится в специальных сооружениях: биологических прудах, аэротенках, окситенках, биофильтрах.

Биологические пруды предназначены для биологической очистки и для доочистки сточных вод в комплексе с другими очистными сооружениями. Их выполняют в виде каскада прудов, состоящих из 3—5 ступеней. Процесс очистки сточных вод реализуется по следующей схеме: бактерии используют для окисления загрязнений кислород, выделяемый водорослями в процессе фотосинтеза, а также кислород из воздуха. Водоросли, в свою очередь, потребляют оксид углерода, фосфаты и аммонийный азот, выделяемый при биохимическом разложении органических веществ. Поэтому для нормальной работы прудов необходимо соблюдать оптимальные значения pH и температуру сточной воды. Температура должна быть не менее 6 °С, в связи с чем в зимнее время пруды не эксплуатируются.

Различают пруды с естественной и искусственной аэрацией. Глубина прудов с естественной поверхностной аэрацией, как правило,

25

не превышает 1 м. При искусственной аэрации прудов с помощью механических аэраторов или продувки воздуха через толщу воды их глубина увеличивается до 3 м. Применение искусственной аэрацииускоряет процессы очистки воды.

Сооружения для искусственной биологической очистки попризнаку расположения в них активной биомассы можно разделить на две группы:

- активная биомасса находится в обрабатываемой сточной водево взвешенном состоянии (аэротенки, окситенки);

- активная биомасса закрепляется на неподвижном материале, а сточная вода обтекает его тонким пленочным слоем (биофильтры).

Аэротенки представляют собой железобетонные резервуары, прямоугольные в плане, разделенные перегородками на отдельныекоридоры.

Для поддержания активного ила во взвешенном состоянии, интенсивного его перемешивания и насыщения обрабатываемой смеси кислородом воздуха в аэротенках устраиваются различные системы аэрации (чаще механическая или пневматическая). Из аэротенков смесь обработанной сточной воды и активного ила поступает во вторичный отстойник, откуда осевший на дно активный ил с помощью специальных устройств (илососов) отводится в резервуар насосной станции, а очищенная сточная вода поступает либо на дальнейшую доочистку, либо дезинфицируется. В процессе биологического окисления происходит прирост биомассы активного ила. Для создания оптимальных условий ее жизнедеятельности избыток ила выводится из системы направляется в сооружения по обработке осадка, а основная часть в виде возвратного активного ила снова возвращается в аэротенк.

Для пневматической аэрации сточных вод вместо воздуха может подаваться чистый кислород. Для такого процесса используются окситенки, несколько отличные по конструкции от аэротенков. Окислительная способность окситенков в 3 раза выше последних.

Биофильтры находят применен при суточных расходах бытовых и производственных сточных вод до 20-30 тыс. м3 в сутки. Биофильтры представляют собой резервуары круглой или прямоугольной формы в плане, которые заполняются загрузочным материалом. По характеру загрузки биофильтры разделяют на две категории: с объемной и плоскостной загрузкой. Объемный материал, состоящий из гравия, керамзита, шлака с крупностью фракций засыпается слоем высотой 2-4 м. Плоскостной материал выполняется в виде жестких (кольцевых, трубчатых элементов из пластмасс,

26

керамики, металла) и мягких (рулонная ткань) блоков, которые монтируются в теле биофильтра слоем толщиной 8 м.

Анаэробный процесс. Здесь происходит биологическое окисление органических веществ в отсутствие молекулярного кислорода за счет химически связанного кислорода.

Основной процесс проводится в метантенках В них перерабатывается активный ил и концентрированные сточные воды, содержащие органические вещества, которые разрушаются анаэробными бактериями в ходе метанового брожения. Указанное брожение в естественных условиях протекает на болотах.

Основная цель анаэробной очистки - уменьшение объема активного ила или количества органических веществ в сточной воде, получение метана и хорошо фильтрующего и без запаха осадка. Осадки после фильтрации могут быть использованы в качестве удобрения в растениеводстве (если содержание в них тяжелых металлов ниже ПДК). Получаемый в метантенках газ содержит до 75 % (об.) метана (остальное — СО2 и воздух) и используется в качестве горючего.

Биологическая очистка загрязненных вод может быть, помимо биологических прудов, осуществлена в естественных условиях, для чего используют специально подготовленные участки земли (поля орошения и фильтрации) В этих случаях для освобождения сточных вод от загрязняющих примесей используется очищающая способность самой почвы. Фильтруясь сквозь слой почвы, вода оставляет в ней взвешенные, коллоидные и растворенные примеси. Микроорганизмы почвы окисляют органические загрязняющие вещества, превращая их в простейшие минеральные соединения — диоксид углерода, воду, соли.


1. В чем заключается биохимическая очистка сточных вод?2. Биологические пруды и их назначение?3. Роль аэротенков и биофильтров в очищении сточных вод?4. Где находят применение осадки поле фильтрации сточных вод?

2.6 Очистка ионизирующим излучениемВ последние годы развивается новый безреагентный метод

очистки сточных вод путем деструкции содержащихся органических примесей. Гамма-излучение от радиоактивных изотопов производит такое же действие, как и сильнейшие окислители. Но вместо изотопов

27

сейчас применяют пучки электронов, генерируемых ускорителями с энергией электронов 5-6 МэВ. При ионизирующем излучении нарушается агрегативная устойчивость коллоидных систем (радиационная коагуляция), разрушаются и окисляются практически все органические и некоторые неорганические вещества (радиационная деструкция) с образованием простейших соединений, гибнет или инактивируется широкий круг вирусов и микроорганизмов (радиационное обеззараживание). Еще больший эффект дает сочетание сорбционного реактора (фильтра) с облучением пучком ускоренных электронов.

28

3 Занятие по теме: «Техногенное воздействие предприятий топливно-энергетического комплекса на окружающую среду»

На практических занятиях рассматривается «оценка масштабов антропогенных поступлений серы и азота в атмосферу».

Проведем оценку загрязнения на основе решения задачи.ЗадачаОцените мольное отношение и общую массу диоксида серы и

оксидов азота, поступающих в атмосферу в течение суток с выбросами тепловой электростанции, работающей на угле. Содержание серы в угле равно - 1,5 % массы. В сутки на станции сжигается 10 тыс. т угля. Концентрация оксидов азота в газовых выбросах составляет 150 млн.' Для сжигания угля используется стехиометрически необходимое количество воздуха. При оценке принять, что уголь состоит из углерода и содержит в качестве примеси только серу.

Решение. Появление в выбросах отходящих газов при сжигании топлива связано с процессом окисления соединений серы, присутствующих в исходном топливе. В рассматриваемом случае процесс можно представить уравнением:

S + 0 2 = S02 (3.1)

Количество серы, сжигаемое на станции в сутки,

m(S) = Мугля х d(S) (3.2)

где ms и Мугдя - массы серы и угля, сжигаемого на станции в сутки;

d - массовая доля серы в угле, ms = 10000*0,015 = 150 т/сут.

Количество диоксида серы. Моль. Образующегося в процессе горения угля, равно количеству серы, моль, содержащейся в угле

N(S02) = N(S) = m(S) / M(S) (3.3)

где Ms — молярная масса серы,

N(S02) 1 150-106 / 32 = 4,69-106моль/сут.

Для вычисления количества оксида азота. Моль. Образующегося

29

в процессе горения угля, необходимо найти общее количество газов, моль, содержащихся в продуктах (Noe)- Эта величина определятся количеством азота. Моль, содержащегося в воздухе, необходимом для окисления углерода и серы из угля (Nn ), количество диоксида углерода, моль, образующегося при горении углерода N(S02), и количеством образующегося диоксида серы N(S02)), моль:

No6 = N(N2)+ Nc02 + N(S02) (3.4)

Процесс окисления углерода можно представить уравнением

с+о2 = со2Каждые сутки на станции сжигается 10000 т угля, которые, по

условию задачи, содержат 150 тонн серы и 9850 тонн углерода. Количество углерода, сжигаемого на станции в сутки, моль,

Nc = шс / М с (3.5)

Nc = 9850 х 106 / 12 = 8,21х 108 моль/сут

где Мс - молярная масса углерода

На каждый моль углерода образуется моль диоксида углерода и расходуется, как и при окислении серы, один моль кислорода из воздуха. Поэтому количество диоксида углерода, образовавшегося в процессе горения угля, равно

N(S02) = N(C) = 8,21 • 108 моль/сут.

Общее количество кислорода, необходимое для окисления серы и углерода, содержащихся в угле

N (0,) = N (02) (на окисление серы) + N (02) (на окисления углерода) == 4,699-10б + 8,21-10- = 8,26-108 моль/сут.

Поскольку в процессе сжигания угля используется воздух, кислород из которого по условию задачи, будет полностью израсходован на окисление серы и углерода, в отходящих газах останется лишь азот, если не принимать во внимание другие инертные газы и процесс окисления самого азота. Содержание азота можно

30

определить, зная средний состав воздуха.

N(N2) = N (02)-d (N2) / d(0 (3.6)

где d (N2) и d(02) - содержание соответственно азота и кислородав воздухе

N(N2) = 8,26 х 108 х 78,11 / 20,95 = 3,08 х 109 /сут.

Общее количество газов, содержащихся в отходящих продуктахсжигания угля,

Nq6 - 3,08 х 108 + 8,21 • 108 + 4,69-108 = 11,34* 108 моль/сут

Количество оксида азота в отходящих газах

N (NO) J С (NO) Noe (3.7)

где С no 1 объемная доля оксида азота в отходящих газах, по условию задачи равна 150 х 10.

N (NO) = 150-1 O'6-11,34-10® = 1,70-105 моль/сут

Мольное отношение диоксида серы и диоксида азота поступающего в атмосферу в процессе сжигания угля, можно определить по уравнению

n = N (S02) / N (NO) 1 4,69-10” / (1,70-10s) = 27,6 -2 8

Массы диоксида серы и диоксида азота, поступающего ватмосферу в процессе сжигания угля, можно определить по уравнению

Q = N M (3.8)

где Q — масса газа, г;N - содержание диоксида серы и оксида азота в отходящих

газах, моль/сутМ - молярная масса соответствующего газа г/ моль

М (S02) = 4,69- 10б-64 = 300-10 г/сут = 300 т/ сут; М (NO) = 1 /70-105-30 = 51 10 г/сут. = 5,1 т/сут.

31

Ответ. С отходящими газами тепловой станции в сутки в атмосферу поступает 300 т диоксида серы и 5, 1 т оксида азота, мольное соотношение диоксида серы и оксида азота примерно равно 28.

Самостоятельно решить задачу согласно варианта (таблица 3.1) Сделать вывод о влиянии данных выбросов в приземный слой атмосферы.

Таблица 3.1 - Варианты задачиПараметры 1 2 3 4 5Содержание серы, % 1,7 1,8 1,9 2 ,0 2,5Количество угля, сжигаемого в сутки, тыс. т

8 10 12 12 14

Концентр, оксида азота в выбросах, моль/ м

140 160 160 180 180

32

4 Занятие по теме: «Загрязнение окружающей среды промышленными предприятиями»

На практических занятиях рассматривается удаление пыли в аппаратах мокрой очистки.

Аппараты мокрой очистки работают по принципу осаждения частиц пыли на поверхность капель жидкости под действием сил инерции и броуновского движения обеспечивают возможность очистки от пыли горячих и взрывоопасных газов Конструктивно мокрые пылеуловители разделяют на аппараты ударно-инерционного и барботажного действия. На рисунке 4.1 представлен барботажный пенный пылеуловитель

1 - корпус; 2 - тарелка с перфорацией; 3 - переливной порог; 4 - слой пены на тарелке.

Они бывают однополочные и двухполочные, с отводом воды через сливное устройство над решеткой и с полным протеканием воды через отверстия решетки (провальные). Аппараты со сливными устройствами позволяют работать при больших колебаниях нагрузки по газу и жидкости. Выбор числа полок зависит главным образом от запыленности газа.

Порядок расчета пенного пылеулавливателя:1) выбор расчетной скорости газа

Рисунок 4.1 — Барботажный (пенный) пылеуловитель

33

Скорость газа в аппарате — один из важнейших факторов, определяющих эффективноегь работы аппарата. Допустимый диапазон фиктивных скоростей составляет 0,5-3,5 м/с. Но при скоростях больше 2 м/с начинается интенсивный унос брызг и требуется установка брызго - улавливателей. При скоростях меньше 1 м/с возможно сильное протекание жидкости через отверстия решетки, вследствие чего высота слоя пены снижается, а жидкость может не полностью покрывать поверхность решетки. Для обычных условий рекомендуется скорость w = 2м/с;

2) определение плошали сечения аппаратаПлошадь сечения S(b м ) равна

S=Q„/w (4.1)

где Q„ - расход газа, поступающего в аппарат при рабочихусловиях, м /с;

w — скорость газа, м/с.

Газопромыватель может быть круглого или прямоугольного сечения. В первом случае обеспечивается более равномерное распределение газа, во втором — жидкости. При выборе аппарата прямоугольного сечения длину и ширину решетки находят с помощью данных по основным размерам аппаратов;

3) определение расхода поступающей воды.Для холодных и сильно запыленных газов расход определяется

из материального баланса пылеулавливания, для горячих газов - из теплового баланса. В сомнительных случаях выполняют оба расчета и выбирают наибольшее из полученных значений расхода. (Газ считают холодным, если его температура меньше 100 °С.)

Расход поступающей воды L (кг/с) рассчитывают исходя из материального баланса пылеулавливания

L = Ly+ L CJ1 (4.2)

где Ly — расход воды, стекающей через отверстия в решетке (утечка), кг/с;

Ьсл - расход волы, стекающей через сливной порог, кг/с.

Величина Ly определяется массовым расходом уловленной пыл Gn (кг/с); концентрацией пыли в утечке ху, (кг пыли/кг воды); коэффициентом распределения пыли между утечкой и сливной водой Кр, выраженным отношением расхода пыли, попадающей в утечку, к общему расходу пыли:

34

Ly= G„-(Kp/ xy) (4.3)

Расход уловленной пыли (кг/с) можно определить по соотношению

G„=Q„xc„XTj (4.4)

где с„ - начальная концентрация пыли в газе, кг/м3;г| - заданная степень пылеулавливания, доли единицы.

Коэффициент распределения К находится в диапазоне 0,6-0,8 в расчетах обычно принимают Кр - 0,7.

Концентрация пыли в утечке изменяется от ху= 0,2 (для не склонных к слипанию минеральных пылей) до ху = 0,05 (для концентрированных пылей).

Так как в утечку попадает больше пыли, чем в воду, стекающую через сливной порог, то для уменьшения общего расхода воды целесообразно уменьшать величину L^. Однако слишком сильная утечка создает неравномерность высоты слоя воды на решетке. Поэтому в расчетах рекомендуется принимать l|y p Ly. Исходя из этого выражение (4.3) приводится к виду:

L = 2 G„ х (Кр/ ху) (4.5)

4) Определение типа решеткиНа этом этапе выбирают тип перфорации (круглые отверстия или

щели), диаметр отверстия d0 или ширину щели Ьщи шаг между ними t. Форму отверстий выбирают исходя из конструктивных соображений, а их размер - исходя из вероятности забивки пылью. Обычно принимают Ьщ = 2-4 мм,

d0 = 2-6 мм. Затем выбирают такую скорость газа в отверстиях w0, которая обеспечит необходимую величину утечки.

При диаметре отверстий d0 = 2-3 мм скорость газа должна составлять 6-8 м/с, а при do = 4-6 мм, w0= 10-13 м/с.

Далее рассчитывают долю свободного сечения решетки S 0, отвечающей выбранной скорости.

S о = w/ (w0 х ф) (4.6)

где (р - отношение перфорированной площади решетки к плошали сечения аппарата (ср = 0,9-0,95).

Исходя из величины So определяют шаг t (в м) между отверстиями в зависимости от способа разбивки отверстий на

35

решетке. При разбивке по равностороннему треугольнику.

t=d0VL/S0 (4.7)

Толщину решетки б выбирают по конструктивным соображениям. Минимальному гидравлическому сопротивлениюсоответствует 6 = 5 мм.

5) Определение высоты слоя пены и сливного порогаВысоту порога на сливе с решетки устанавливают исходя из

создания слоя пены такой высоты, которая обеспечила бы необходимую степень очистки газа.

Первоначально определяют коэффициент пылеулавливания К„(в м/с):

К„ 1 2t ]w /(2 - л) (4.8)

где г) — заданная степень очистки газа от пыли.Связь между Кп и высотой слоя пены Н (в м) при улавливании

водой гидрофильной пены выражается эмпирическим уравнением

Н= Кп - 1,95 w+ 0.09 (4.9)

где величины Кп и w имеют размерность м/с.Далее определяют высоту исходного слоя воды на решетке ho (в м)

ho = 1,43 х Н 167 w •083 (4.10)

Высоту порога һп рассчитывают по эмпирической формуле

һ„ = 2,5 ho - 0,0176 3Vi2 (4.11)

где i - интенсивность потока на сливе с решетки (в кг/ (м*с)), определяемая как

i - L M/b c (4.12)

где Ьс - ширина сливного отверстия. При прямоугольном сечении аппарата Ьс равна ширине решетки.

Пример расчета пенного пылеуловителя.Задача. Рассчитать пенный аппарат для очистки 48000 м3/ч газа

от гидрофильной, не склонной к слипанию пыли. Температура газа 60°С. Запыленность газа на входе в аппарат Сн = 0,008 кг/м3. Требуемая степень очистки г| = 0.99. Очистка производится водой.

Решение

36

Выбираем газоочиститель системы ЛТИ и принимаем рабочую скорость газа (на всё сечение аппарата) w = 2м/с.

Рассчитываем по формуле (4.1) площадь сечения аппарата

S = 48000 / (3600 х 2) = 6,67м2

Площадь сечения аппарата по каталогу ЛТИ

S = 2,1 х 3,48 = 7,3м2

Фактическая скорость газа

w = 48000 / (3600 х 7,3) = 1,82м2

Определяем по формуле (4.4) расход уловленной пыли

G„ 1 (48000 х 0,008 х 0,99)/ 3600 = 0,106 кг/с

Принимаем коэффициент распределения Кр = 0,7 и концентрацию пыли в утечке ху = 0,15 кг пыли/кг воды.

Тогда расход поступающей воды по формуле (4.2) составит

L 1 2 х 0,106 х (0,7 / 0,15) 1 0,989 кг/с

Выберем решетку с круглыми отверстиями диаметром do = 4мм. Тогда скорость газа в отверстиях должна быть равна w0 = 10 м/с. По выражению (4.6) доля свободного сечения решетки So при ф = 0,95 равна

S0 = 1 ,82 /(10x0 ,95) = 0,195

Если принять, что отверстия располагаются по равностороннему треугольнику, то шаг между отверстиями в соответствии с формулой (4.7) составит

t=0,004>/0,91/0,192=0,0087 м Толщину решетки б примем равной 5 мм. Определим по

уравнению (4.7) коэффициент скорости пылеулавливания

К„= 2-0,99* 1,82 / (2 - 0,99) = 3,57 м/с Тогда высота пены на решетке в соответствии с уравнением (4.9)

равнаН = 3 ,57 - 1,95-1,82 + 0,09 = 0,11м

Высоту исходного слоя воды на решетке рассчитываем по формуле (4.10)

■в

37

ho 1 1,43 0,11Ш 1 Ш Ш = 0,0218 м

Интенсивность потока на сливе с решетки найдем по соотношению (4.12)

і = 1,989 / (2-3,48) = 0,142 кг/(м-с)

Высота сливного порога по формуле (4.8) будет равна

һ„ = 2,5-0,0218 - 0,01763 V0,142z = 0,05 м

Для усвоения материала самостоятельно решить задачу на примере рассмотренной выше, согласно варианта. Условие задачи остается таким же. Данные для расчета приведены в таблице вариантов заданий (таблица 4.1) Рассчитанный вами вариант сравнить с заданным и сделать соответствующие выводы.

Задача. Рассчитать пенный аппарат для очистки 48000 м /ч газа от гидрофильной, не склонной к слипанию пыли. Температура газа 60 °С. Запыленность газа на входе в аппарат с„ = 0,008 кг/м . Требуемая степень очистки т\ = 0.99. Очистка производится водой.

Таблица 4.1 - Варианты заданийВарианты

1 2 3 4 5 6 7 8do 2 3 4 5 6 3 4 5

W0 6 7 10 11 12 8 11 13x v 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,06 0 J 0,1Кр 0,6 0,7 0,8 0,6 0,7 0,7 0,6 0,8


1. От чего зависит расход поступающей воды?2. Как определяется тип решётки, отверстия в решётке?3. Что влияет на расход поступающей воды?4. От чего зависит высота слоя пены?5. При какой температуре газ считается холодным?6. В каком случае необходимо устанавливать брызгоулавливатель?

38

5 Занятия по теме «Вредные выбросы в окружающую среду»

5.1 Определение количества выбросов с продуктами сгоранияРасчет удельных выбросов и концентраций оксидов азота при

совместном сжигании угля с мазутом или газом.В действующих котлах, в которых в ряде случаев сжигаются

одновременно уголь и мазут или уголь и газ, расчет массовой концентрации оксидов азота Сиог» г/м3 , проводится для твердого топлива, затем значение полученной концентрации CN02 нужно умножить на поправочный безразмерный коэффициент А, который определяется по следующим формулам: при сжигании газа вместе с углем.

Аг = 1 - VSf/2,5 (5.1)

при сжигании мазута вместе с углем

А„ = 1 - V5M/2,5 (5.2)

где 8г и §м-доли газа и мазута по теплоте.Доли газа и мазута по теплоте рассчитывают по формуле

І = Bpj (Qir 1 / Bpy’(Qjr )у + Bpi-(Qir )i (5.3)

где Врі - расчетный расход газа или мазута, м3 /с (кг/с);(Qir)i - теплота сгорания газа или мазута, МДж/м3 (МДж/кг) Вру и (Q*r )у - расчетный расход и теплота сгорания для угля,

кг/с и МДж/кг.

Удельные выбросы KNo2> г/МДж, определяются по концентрации СщгСе поправкой по уравнению (5.1) или (5.2)). Объем сухих дымовых газов и теплоту сгорания при сжигании угля с мазутом рассчитывают по формулам:

(VCT)eM = 8М (VcX + (1 - 8М) (Уст)у 5.4)

(Qir )см = 5M(Qir )„ + (! -8 М) (Qir )у (5.5)

где 8М - доля мазута по теплоте, определяемая по (5.3);(Vct)m и (Qj M соответственно объем сухих дымовых газов,

м3/кг, образующихся при полном сгорании мазута при а = 1,4, и теплота сгорания мазута (МДж/кг).

39

При сжигании угля совместно с газом расчет выполняется условно на 1 кг твердого топлива с учетом количества газа, приходящегося на 1 кг угля:

(Vo.r)cM= ( v c, ) y + x (V cr)r (5 .6 )

(Qir)cM = (Qir)y +x(Q ir)r (5 .7 )

где (V cr)y и (Vcr)r - соответственно объм сухих дымовых газов при сжигании угля и природного газа;

х - количество газа на 1 кг твердого топлива, м3/кг.Если смесь топлива задана долями тепловыделения каждого

топлива (8У и 8г), то количество газа х, приходящееся на 1 кг твердого топлива

X = §r(Qir)y /8(Q ir)r (5 .8 )

5.2 Расчет выбросов оксидов азота с дымовыми газами котлов ТЭС

Выполним расчет массовой концентрации оксидов азота при сжигании газа и мазута котлов ТЭС.

Исходные данные для расчета концентрации оксидов азота в дымовых газах энергетических котлов:

DH0M - номинальная паропроизводительность котла, кг/с;D - фактическая паропроизводительность котла, кг/с;Qir - низшая рабочая теплота сгорания топлива, МДж/м3

(МДж/кг);Вр - расчетный расход топлива, м3 /с (кг/с);Ці - доля топлива или воздуха, поступающего через каждый ярус

горелок, от общего количества топлива (воздуха), поступающего через горелки нестехиометрического сжигания из-за расбаланса по топливу или воздуху);

Пі - доля горелок в каждом ярусе от общего числа горелок;аг - ширина топки (в свету), м (при наличии двусветного экрана —

ширина одной ячейки);Ьт - глубина топки (в свету), м;Zap - число ярусов горелок;һяр Ц расстояние между ярусами горелок, м;§г - коэффициент, учитывающий степень выгорания топлива в

факелах горелок в пределах ЗАГ, зависящий от конструкции горелок для унифицированных и оптимизированных горелок §г В 1; для двух

40

поточных горелок стадийного сжигания §г = 0,7; для многопоточных горелок стадийного сжигания §г = 0,58; для многопоточных горелок стадийного сжигания с подачей части топлива в инертные газы §г = 0,42;

Тв - температура воздуха перед горелками, К; а - коэффициент избытка воздуха в конце топки; г - степень рециркуляции дымовых газов, %; m - показатель, зависящий от вида топлива: для газа m = 0,5; для

мазута ш = 0,47;арсц - коэффициент, зависящий от способа ввода газов

рециркуляции: при вводе в подтопки Эрец = 0,005, в шлицы под горелки Эрец = 0,02, снаружи воздушного потока горелки = 0,14, в дутьевой воздух %ец = 0,16, при вводе между воздушными потоками горелки арец = 0,19

5 - доля воздуха от теоретически необходимого, подаваемого и топку помимо горелок (вторичный воздух), %;

Эзат - коэффициент, зависящий от места ввода вторичного воздуха относительно ЗАГ: ниже или в пределах зоны активного горения Эз г = 0; выше зоны активного горения аз Г = 0,01;

Эст Ц коэффициент, учитывающий способ подачи воздуха при ступенчатом сжигании: при подаче навстречу факелу = 0,015, под горелками Щ = 0,007, над горелками = 0,018;

ц - степень перераспределения топлива или воздуха по ярусам горелок, % (при нестехиометрическом сжигании топлива из-за разбаланса по топливу или воздуху):

2Ц =ІІЧ і Я 100 (5-9)

1 = 1

а„с - коэффициент, учитывающий размещение горелок при перераспределении топлива или воздуха по ярусам (нестехиометрическое сжпгание): при фронтальном размещении

а„с = 0,016; при встречном - 0,009;gen — относительное количество влаги, вводимой в зону горения

(массовая доля расхода топлива, %);авл — коэффициент, учитывающий место ввода влаги: при вводе в

корень факела через горелки а*, - 0,025, в пристенную зону авЛ =0,015;

Nr - содержание связанного азота в топливе (мазуте), %, на рабочую массу.

С учетом геометрических размеров топки определяют тепловую

41

нагрузку Цл г,МВт/м , радиационной поверхности ЗАГ:

Чл г I Qir ВР /[2 (а,+ bT)Zaph*p + 1,5 а ТЬТ] (5.10)

При наличии в топке двусветного экрана Вр принимается на одну ячейку.

Для топок с одноярусным расположением горелок (единичной мощностью от 30 до 60 МВт) Zaphap = 3 м; при подовой компоновке горелок (единичной мощностью от 50 до 95 МВт) Zaphap = 7,5 м, для горелок мощностью 96-160 МВт Zaphяр = 10 м..

При сжигании газа исходную концентрацию оксидов азота Сисх мох, м г/м , определяемую конструкцией топочной камеры и горелочных устройств (0,5 < % г < 3,0 МВт/м2), с учетом масштабного коэффициента тепловой мощности Км при номинальной нагрузке а = 1,02 рассчитывают по формуле

с "“ N0« = 613 (§г Чл. г)0’88 Км (5.11)

При сжигании мазута концентрация оксидов азота складывается из двух составляющих

С' кох, = 632 (§г Чл. г)0,62 Км, (5.12)

С" nox = 220 (Nr - 0,25) Км (5.13)

Второе слагаемое позволяет учесть количество NOx, образующееся при отклонении содержания азота в мазуте от среднего уровня Nr = 0,25%.

Масштабный коэффициент Км вычисляют по формуле

Км = 1 - ехр{[ - 1,5 + (§ГВР Qir)°’41]/7 ,1 } (5.14)

Расчетную массовую концентрацию оксидов азота, мг/м3 определяют:

для газа

Сшх, = сисх N O x,K r в .К 'а кг К3.а.г Кст КнеКВдКк (5.15)

для мазута

Cnox, І (С’ Н Ш й I С'И К"а)Кгв.К'а К„ Кст KHCKMKN (5.16)

42

Полученные результаты по исходной концентрации оксидов азота дополняют коэффициентами, которые позволяют учесть температуру воздуха, поступающего в горелки

Кгв = 1 -0,001(620- Т в) (5.17)

Коэффициент избытка воздуха: Ка-д л я газа; К а-д л я мазута

К« = 1,35 - 43 (а - 1,09) + 2 (а - 1,09), (5.18)и

К а = 4,55 (а - 0,8), (5.19)

вод рециркуляции дымовых газо

Кг = 1 -*■ Эрец г , (5.21)

тепловую мощность ЗАГ при ступенчатом сжигании

К3 kВ11 - а,,г 5 , (5.22)

организацию схемы ступенчатого сжигания

Ш = 1 1 Ш 5, (5.23)

нестехиометрическое сжигание по ярусам горелок

Кнс= 1 - а „ с щ (5.24)подачу влаги

Квл= 1 - a ^ g ^ (5.25)

действительную нагрузку котла

KN | (D 1 Ш Ш (5.26)

Исходные данные и пример расчета концентрации оксидов азота по данной методике приведены в таблицах 5.2.1 и 5.2.2.

43

IB % I -оксидов азота цри

т ш е для расчета ижтшпі тгш тгги — газа ■ т э т а ш> метознке 34JQL3G4 - 95

П - 3 > 4

! ■ Б 0 Г Ж

ш -ШH4U

■ 1C

К UШ-J 3 3 1 4 0

: В щ т о к и ш j Г а з Г о I | Г а з I Г ав 1

ц р о ш в о л и т е л ь а о с т ь D . R1 7 Й 1 1 5 2 * 1 УШ ^ * “в | rm 1 ^ 1

Ф ш ш е с шп р о ю к ш т е л и о с т ъ D j o t c

( 7 3 6 j Ш j 132 i ™ I 2 H 1 139 |} Т е н к л а с п у а и м т о п л и в а 1 О Т , М Д ж г т г ( М Д ж к г )

f 3 3 4 .7 * j 3 * 6 ЛІМТ } 3 5 .4 | 34_36

Р а с х о д т о п л и в а н а к о т е л - т к (к г й с )

5 9 ,6 3 К I M 1 9 3 2 1 3 4 | 2 2 .0 4 Г ^ 11 !Л о л т о а я в а ( к н в е т ж і ^ о о с т у т и ю я к г о ч е р е з к а ж т ы й я р у с , О Т О бш С ГО

1 в ш п е с т в а

I & Д % 5 1 1 1 * 1 & д в д [ GL4L I 10L 59 I

Д о л я г о р е л о к в o x j o m я р у с е D i о т о б щ е г о и х ч и с л а

j1 1

1 *■» I 0 3 * 3 j

: Ш и р и н а TDRKH &~,М 1 2 0 6 6 ! 1 0 .6 1 2 11 W ~ M>Д 2 j[ 'пм ' 1 3 3 2 |

I Г л \ т ш т о о к я Ьт І - - * - 1 1f іаль 1 I <M 3 ;■ M 7 1 K 7 2 j; \tA IЧ и с л о я р у с о в г о р е л о к Ъщ *% 1 1 I rbUDBL |

1 г а р е ж jР а с с т о я н и е м е ж д у ж р у c a m

' г о р е л о к һ ^ _ *3 J* j J 1 m f ’

: К о э ф ф и ц и е н т . \ч к т ы в а ю ш я н | • с т е п е н ь в ы г о р а н и а т о п л и в а в

ф а к е л а х г о р е л о к в п р е д е л а х ! З А Г , з а в и с я щ и й о т

к о н с т р у т а н н г о р е л о к

1 1 1 М 2 j @ ,42 j 1 1 1 1 I

1 Т е м п е р а т у р а в о х з у х а в е р е д I 1 г о р е л к а м и Т в . К |

I 6 2 0 - - - - 1

5 2 0 I 5 4 8 I 5 6 0 6Ю ; 5 9 0 |

К о э ф ф и ц и е н т и з б ы т к аІ н ш \ к а а I -— ■ ■ *■—-- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1

1 . 0 9 1 1 ,0 9 1 .0 6 I LOS f 1 .0 9 1 w * 11 С т е п е н ь р е ц и р к у л я ц и и 1 1 д ы м о в ы х г а з о в г , %

м 8 8 . ........................................IIT 9 8 1j П о к а з а т е л ь ш , з а в и с я щ и й о т 1 ; в и л а т о п л и в а 1

0 3 I a s P 4* •4 ■

- — — * 0 3 I <KS 0 .5

| К о э ф ф и ц и е н т Зред. з а в и с я щ и й j о т с п о с о б а в в о д а г а з о в \

| р е ц и р к у л я п н и

< U 4 j 0 .1 9 0 ,1 9 I 0 ,1 6 . 0 J 6 0 .1 6

! Д о л я в т о р и ч н о г о в о з д у х а &, ! %

3 3..........................1

181

0 I 2 5— — J

2 0 I 0

44

Продолжение таблицы 5.2.1Коэффициент азаг зависящий от места вторичного воздуха относительно ЗАГ

0,01 0,01 0 0,01

Коэф., аст, учитывающий способ подачи вторичного воздуха

0,018 0,018

0,0165 0,018

^Номинальная и фактическая теплопроводность,МӘі

** Третий ярус использован для подачи вторичного воздуха.* *•* Принято по методике 34.02.3041 95.

Таблица 5.2.2 - Пример расчета массовой концентрации оксидов азотаПараметр Тип котла

Формуларасчета

ТГМП204

ТГМП- 114 Один корпус

ТГМП344

11 МП314 П

ТГМЕ464

Тепловая нагрузка q,ir радиационной поверхности ЗАГ,МВт/м2

3,01 1,91 1,91 1,6 1,03 0,96

Коэффициент Км, учитывающий тепловую мощность ЗАГ

0,97 0,73 0,73 0,9 0,91 0,83

Исходная массовая концентрация оксидов азота при сжигании газа С no*"0*jMr/M3

1568 368 837 672 491

Первая концентрация оксидов азота С nox при сжигании мазута, мг/м3

402

Вторая составляющая концентрация оксидов азота C nqx при сжигании мазута, мг/м3

48

Коэффициент К„, учитывающий температуру воздуха перед горелками

1,0 0,90 0,93 0,94 0,99 0,97

Первый коэффициент Ка, учитывающий избыток воздуха в топке для газа

1,35 1,35 1,25 1,2 1,35 1,35

Второй коэффициент К а , учитывающий избытокт

воздуха в топке для мазута

1.18

45

Продолжение таблицы 5.2.2Коэффициент Кг, учитывающий ввод рециркуляции дымовых газов

0.44 0,46 0.5 0,34 0,52 0.55

Коэффициент Кз a t» учитыва ющий тепловую мощность при ступенчатом сжигании

0,67 0,82 1 1 0,8 1

Коэффициент Кст, учитывающий организацию схемы ступенчатого сжигания

0,41 0,68 1 1 0,58 0,64 1

Коэффициент Кнс, учитываю -щий нестехиометрическое сжигание по ярусам горелок

1 1 1 1 1 0,71

Коэффициент Км,учитывающий подачу влаги

0,75 1 1 1 1 1

Коэффициент Км, учитывающий действительную нагрузку котла

1 1 1 1 1 1

Расчетная массовая концентр ация оксидов азота на газе и мазуте Cnqx, м г/м 3

200 117 266 186 208 251

46

6 Занятие по теме: «техногенное воздействие нефтеперерабатывающей промышленности на окружающую среду. Методы защиты»

На практических занятиях рассматриваются методы борьбы с аварийными разливами нефти и нефтепродуктов.

Серьезной экологической проблемой является загрязнение почв нефтью и нефтепродуктами. Часто причинами загрязнения становятся аварии на магистральных и внутрипромысловых нефтепроводах.

В таблице 6.1 приведена классификация нефтезагрязнений почв сельскохозяйственного назначения в зависимости от содержания % в них нефтепродукта.

В соответствии с «Временным классификатором промышленных отходов и методическими рекомендациями по определению класса токсичности промышленных отходов» почвы, загрязненные нефтепродуктом, относятся к 3-му классу токсичности.

Для водных объектов установлены следующие значения ПДК (предельно допустимые концентрации) нефтепродуктов:

- для водоемов питьевого значения - 0,1мг/л- для водоемов рыбохозяйственного значения - 0,05 мг/л.

Таблица 6.1 — Классификация нефтезагрязнений почв сельскохозяйственного назначения в зависимости от содержания в них нефтепродукта___________________ _________________________

Уровень Содержание нефтепродуктов в почве,

мг/кг почвы

Классификациянефтезагрязнений

1 Менее 1000 допустимый2 От 1000 до 2000 низкий3 От 2000 до 3000 средний4 От 3000 до 5000 высокий5 Свыше 5000 Очень высокий

6.1 Аварийные разливы нефтепродуктов Аварийные разливы нефтепродуктов как правило, происходят

при нарушениях технологических режимов на этапах хранения, транспортировки, эксплуатации топлива и правил обращения с нефтепродуктами, при физическом износе оборудования, стихийныхбедствиях и прочих.

В зависимости от объема и площади разлива нефти и нефтепродуктов на местности, чрезвычайные ситуации (ЧС)

47

определяются специально уполномоченным федеральным органом исполнительной власти в области охраны окружающей среды и определяют следующие категории:

- локального значения — до 100 тонн на территории объекта;- муниципального значения - от 100 до 500 тонн в пределах

административной границы муниципального образования (города). Разлив, выходящий за пределы территории объекта-до 100 тонн;

- территориального значения — от 500 до 1000 тонн в пределах административной границы субъекта, а выходящий за пределы административной границы муниципального образования - от 100 до 500тонн;

- регионального значения - от 1000 до 5000 тонн, а выходящий за пределы административной границы субъекта Казахстана -от500 до 1000 тонн.

- федерального значения - выше 5000 тонн. Разлив вне зависимости от объема, выходящий за пределы государственной границы, а также разлив, поступающий с территорий сопредельных государств (трансграничного значения).

Разливы нефти во внутренних морских водах, территориальных морях Казахстана и исключительной экономической зоне Казахстана подразделяются на три уровня.

Разлив нефти первого уровня - разлив, представляющий минимальную угрозу окружающей среде, здоровью и благосостоянию людей, при котором количество вылившейся нефти не превышает 100 тонн. Разлив первого уровня соответствует территориальной ЧС. Исходя из местоположения разлива и гидрометеорологических условий, разлив первого уровня может быть признан ЧС регионального или федерального значения.

Разлив нефти второго уровня — разлив, представляющий серьезную угрозу окружающей среде, здоровью и благосостоянию людей, при котором количество вылившейся нефти составляет от 100 до 5000 тонн. Разлив второго уровня соответствует региональной ЧС.

Разлив третьего уровня — разлив, представляющий катастрофическую угрозу окружающей природной среде, здоровью и благосостоянию людей, при котором количество вылившейся нефти свыше 5000 тонн. Разлив третьего уровня соответствует федеральной ЧС.

48

6.2 Методы ликвидации загрязнений почвы нефтью инефтепродуктами

6.2.1 Локализация нефтезагрязнений почвВ первую очередь после аварийного разлива нефтепродукта

следует ограничить его распространение по поверхности земли, чтобы не допустить попадания в водоемы, а также испарения нефтепродукта, следствием которого может стать его воспламенение; фильтрации нефтепродукта в более глубокие почвенные и грунтовые слои земли; растекания нефтепродукта в направлении наиболее удобного для этого ландшафта.

6.2.2 Механические методы (обваловка загрязненного участка, обнесение его какими-либо заграждающими средствами, например бревнами, хворостом, трубами и т. п.) способствуют ограничению растекания нефтепродуктов в направлении пониженных участков ландшафта, препятствуя тем самым увеличению площади загрязнения.

6.2.3 Использование физико-химических методов требует наличия специальных химических веществ и позволяет:

а) экранировать поверхность испарения разлитого нефтепродукта, что предотвращает его испарение и загорание;

б) превратить разлитый нефтепродукт в гелеобразное или твердое состояние, исключающее его текучесть;

в) обрабатывать почву с целью защиты от нефтепродукта.Для этого разработаны рецептуры гелеобразных пен на основе

поливинилового спирта с добавками хлорида железа и ускорителя гелеобразования - оксида цинка ZnO. Широко применяются отечественные пенообразователи «Форэтол» и «Универсальный», также фторсодержащие пенообразователи типа «Легкая вода» (США). Они эффективно препятствуют испарению разлитого нефтепродукта.

Загущение нефтепродукта может быть достигнуто путем применения связывающих материалов, как правило, сорбентов.

Разработан состав, который позволяет отвердить разлитые нефтепродукты, в которых содержится 50% и более активированного угля, 10% оксида магния или органофильной глины, 50% гидрофобного полимера с молекулярной массой 5000-30000 (например, полиакриловой кислоты), 10% оксида алюминия или кремния, 5% силиката магния.

Осуществить защиту почвы от проникновения в нее нефтепродукта можно путем ее обработки водным раствором нетоксичного полимера — Na — соли полиакриловой кислоты.

49

6.3 Сбор разлившегося на почве нефтепродукта подразделяется на механические и физико-химические методы

Механические методы предусматривают использование специального оборудования, которое позволяет собрать нефтепродукт с почвы в исходном (жидком) состоянии. В качестве такого оборудования выступают, например, отечественные установки вакуумного типа, работающие по принципу пылесоса. В частности, вакуумные установки «ВАУ-1» и «ВАУ-2» имеют производительность 2 и 4 м3 соответственно.

Указанные установки позволяют обеспечить сбор нефтепродуктов в срочном порядке при любых масштабах его разлива, причем в труднодоступных местах. Собранный нефтепродукт после регенерации вновь может быть использован по прямому назначению.

Наиболее распространенным (из-за доступности) среди физикохимических методов является сорбционный, предусматривающий использование сорбирующих материалов - опилок, торфа, песка и др. Нефтепродукт при этом собирается в связанном сорбентом виде. Указанные сорбенты эффективны при относительно небольших разливах нефти и нефтепродуктов.

При значительных аварийных разливах используют обычную землеройную технику, с помощью которой создают нефтепочвенную смесь, которую в дальнейшем перевозят автотранспортом на полигоны временного хранения.

Снижение концентрации разлитого нефтепродукта в почве до приемлемого уровня.

Методы снижения остаточной концентрации нефтепродукта в почве до экологически приемлемого уровня (в частности, исключающего его попадание в грунтовые воды) подразделяют на физико-химические и биологические.

Физико-химические методы: термические, химические, экстракционные, дренирование почвы, биологические методы.

Термические методы основаны на сжигании загрязненной почвы на месте разлива, либо предварительно удаленной с места разлива нефтепродукта.

Одной из применяемых схем является сжигание почвы во вращающейся печи с камерой дожигания, системой утилизации тепла и многоступенчатой очисткой топочных газов. Первоначально в мельнице с помощью проходящих через нее горючих газов проводится сушка и одновременное измельчение загрязненной почвы

50

с получением фракции 0-10 мм. При этом большая часть ядовитых веществ переходит в газовую фазу. После сушки почва обрабатывается при 1000-1200°С в оснащенном газовой горелкой участке. С помощью циклонного сепарирования материал отделяется от газовой фазы, которая возвращается в цикл для полного разложения ядовитых веществ. После обеззараживания почва возвращается на прежнее место.

Термическую обработку почвы можно проводить во вращающейся печи. Средне загрязненная почва обрабатывается при температуре 700-800°С, а сильно загрязненная - в печи «кипящего» слоя, работающей на углеводородном топливе, при 900°С. Такие установки успешно используют в странах Западной Европы.

Метод сжигания обеспечивает высокую интенсивность процесса, эффективное выгорание нефтепродуктов при любых уровнях загрязнения ими почвы. В то же время следует отметить и серьезные его недостатки:

а) метод требует развертывания специального оборудования,больших энергозатрат;

б) большие капитальные затраты на строительство печи и многоступенчатой системы очистки топочных газов, т. к. сжигание сопровождается интенсивным образованием микрочастиц;

в) большое количество захораниваемых шламов, связанных с необратимостью изменений почвы при сжигании;

г) значительно увеличиваются сроки естественноговосстановления почвы;

д) происходит образование канцерогенных веществ привысокотемпературных процессах.

Химический метод основан на превращении токсичных углеводородов нефтепродуктов в относительно нетоксичные соединения либо на отвердении токсичных веществ в виде твердоговещества или геля.

Разработан препарат «Эконафт», который эффективно применяется для химического обезвреживания и нейтрализации токсичных отходов. Он включает в свой состав негашеную известь СаО, которая способна при гашении увеличивать удельную поверхность в 15-30 раз. Образуется вяжущая масса, активно поглощающая углеводороды нефти. В результате образуется сухое,стойкое при хранении порошкообразное вещество.

В США применяют пероксид водорода Н202 для обработкизагрязненных нефтепродуктами почв, грунтов и гравия.

Экстракционный метод, обладающий высокой эффективностью,

51

основан на извлечении нефтяных углеводородов из почвы с помощью специально подобранных избирательных экстрагентов (растворителей).

В качестве экстрагентов применяются легкие фракции нефтепродуктов, горячая вода, перегретый водяной пар, моющие средства и т. д.

Основными этапами экстракционного метода являются:а) гомогенезация и измельчение загрязненной почвы;б) смешивание почвы с экстрагентом при определенных

условиях;в) сушка суспензии, выводимой из экстракционной системы.

Процессы осуществляются на специальных установках (очистных комплексах), собранных, как правило, по модульному принципу.

Для очистки загрязненных почв от нефтепродуктов методом экстракции разработаны экологически чистые и относительно дешевые моющие средства (МС). Примером МС является чистый полимер модифицированный «Унифлок». Применение в составе МС водорастворимого нетоксичного полимера способствует восстановлению азотного равновесия в почве.

Дренирование почвы заключается в ее промывке на месте с помощью дренажных систем; по сути это разновидность экстракционного метода.

Биологические методы. Относительно широко распространены в природе микроорганизмы, способные разлагать углеводородные соединения нефти с получением экологически нейтральных веществ С02, Н20, и др. Это свойство указанных микроорганизмов положено в основу биологических методов борьбы с нефтяным загрязнением почв.

Имеется два направления в решении указанной проблемы:а) повышение активности естественной микрофлоры почв путем

создания для аборигенных микроорганизмов оптимальных условий жизнедеятельности;

б) интродукция (внедрение) в загрязненную почву специально подобранных активных разрушителей нефтепродуктов, так называемых деструкторов.

Высокоэффективным приемом обезвреживания почв от нефтепродуктов является посев в нефтезагрязненную почву определенных растений, например люцерны и других трав. Своей развитой корневой системой они способствуют улучшению газовоздушного режима почвы, обогащают ее азотом и биологически активными соединениями. Этот метод разложения вредных веществ в

52

почве называется фитодетоксикациеи.В настоящее время в экономически развитых странах, где

проблема нефтезагрязнений стоит остро, большое внимание уделяется интродукции как наиболее эффективному методу в сочетании с относительно невысокой стоимостью и экономичностью.

За последние годы ученым удалось создать фонд экологически полезных микроорганизмов, предназначенных для производства био препаратов с последующим их использованием в целях очистки почв от нефтезагрязнений. Все это позволило организовать целую отрасль экологической биотехнологии, основанной на выделении и селекции высокоактивных нефтеокисляющих микроорганизмов, изучении их свойств, разработке технологий производства и последующем применении биопрепаратов для борьбы с нефтяным загрязнением почв, водоемов, грунтов и т. д. Более того, отобраны и скомбинированы в биопрепараты наиболее активные штаммы микроорганизмов - «специалисты» в области деструкции нефти, мазута, дизельного топлива.

Во избежание антагонизма между местным микробиоценозом почвы и внесенными «чужаками» современные биопрепараты готовят на основе выделенных из загрязненной почвы аборигенных микроорганизмов и культивированных для дальнейшего примененияпри очистке именно данного типа почв.

В результате выполненных обширных исследований в России разработано большое число препаратов - биодеструкторов нефтепродуктов: «Бациспецин», «Деворойл», «Экойл», «Путидойл»,«Нафтокс», «Центрин» и др.

Специалистами шведского агентства оборонных исследований найден способ интенсификации естественных процессов биологической деструкции нефтяных загрязнений путем внесения в почву конского навоза с небольшим количеством сахарного песка. В США разработан стимулятор деятельности местного биоценоза (биопрепарат «UNI—REM»), который облегчает доступность углеводородных молекул нефти для большого числа природных микроорганизмов и расширяет тем самым номенклатуру деструкторовэтого загрязнения.

При очистке почвы от нефтепродуктов биопрепараты применяют в комплексе с агротехническими мероприятиями, облегчающими условия «работы» микроорганизмов.

Агротехнические мероприятия:1) распашка загрязненных территорий, в результате создаётся

оптимальный газовоздушный и тепловой режим в почве, увеличение

53

численности микроорганизмов-деструкторов и их активности, повышение энергии биохимических процессов;

2) аэробная биокоррекция загрязненных почв, что достигается нагнетанием кислорода на требуемую глубину (в этом случае можно отказаться от распашки);

3) обеспечение загрязненных почв биогенными элементами — азотом, фосфором, калием. Установлено, что особенно увеличивается скорость биохимического окисления углеводородов нефти при внесении нитратов и фосфатов;

4) повышение температуры загрязненной почвы до 20 - 40°С, при этих условиях резко ускоряется разложение нефтепродуктов. Поэтому рекомендуется покрывать загрязненный участок темной полиэтиленовой пленкой;

5) удержание почвы во влажном состоянии, что усиливаетактивность микроорганизмов-деструкторов; кислотности почвенногораствора. Поэтому для создания оптимального pH кислые почвы известкуют мелом СаС03, а

6) поддерживание оптимальной (близкой к нейтральной) щелочные — обрабатывают слабыми растворами серной кислоты (0,5- 1,0%) или гипсом CaS04*2H20.


1. Чему равна предельно-допустимая концентрация разлива нефтепродуктов для водоема питьевого значения, водоемов рыбохозяйственного значения?

2. Что является причиной аварийного разлив нефтепродуктов?3. Перечислите категории чрезвычайных ситуаций.4. Чем различается локализация, ограничивающая растекание

нефтепродуктов, от сбора нефтепродуктов разлившейся на почве?5. Перечислите методы снижения концентрации разлитого

нефтепродукта в почве до приемлемого уровня?6. Дать понятие «фитодетоксикация»7. Дать понятие «экологическая биотехнология»8. В чем заключаются агротехнические мероприятия,

облегчающие условия работы микроорганизмов?

54

Альтернативные источники энергииПомимо широкого использования невозобновляемых

источников энергии (уголь, нефть, газ, ядерное топливо) активно изучается и реализуется возможность получения энергии за счет альтернативных (нетрадиционных) ресурсов, таких, как энергия ветра, солнца, геотермальная и энергия волн, а также других источников, которые относятся к неисчерпаемым, возобновляемым и экологически чистым (рисунок 7.1).

Различие между невозобновляемыми источниками и возобновляемыми состоит в том, что использование первых оказывает заметное влияние на биосферу, приводит к дополнительному нагреву ее участков. Поэтому эти виды источников энергии называют добавляющими, а вторые недобавляющими. Действительно, забирая солнечные лучи в установки, которые расположены на поверхности земли, человек изымает энергию из цикла ее нагревания, а затем (после использования) возвращает планете в том же количестве в виде тепла. Иначе говоря, сколько взято из энергетического фонда, столько и вернулось в среду обитания в виде тепла. Напротив, добавляющая энергия может рассматриваться как энергия, загрязняющая среду обитания человека.

7 Альтернативная природосберегающая энергетика

СоЛН€!Ч>«Ыв (гв л и о )

П р о и з в о д с тв ож идкогото п ли в а

Б и оси нтез газов (биогаз

в о д о р о д )И сп о льзо в а н и е

энергии те чений,

приливов тогтГ (ю твр м альи ы е

Рисунок 7.1 - Классификация альтернативных источников энергии

55

7.1 Использование солнечной энергииПоток солнечного излучения, несомненно, является самым

обильным источником недобавляющей энергии. Подсчитано, что использование лишь 0,01 % общего потока солнечной энергии могло бы полностью обеспечить современные мировые потребности человечества в энергии.

Солнечная энергия обладает неоспоримыми преимуществами:- это исключительно чистый вид энергии, который не загрязняет

окружающую среду;- использование ее не связано с опасностью для биологических

систем;- не нарушает сложившегося в ходе эволюции энергетического

баланса Земли.Подсчитано, что без вреда для биосферы можно изъять около 3%

всего потока, попадающего на планету.Солнечную энергию можно использовать напрямую

(посредством улавливания техническими устройствами) — это космическая гелиоэнергетика или использование ее через продукты фотосинтеза, круговорот воды, движение воздушных масс и другие процессы, которые обусловливаются солнечными явлениями (наземная гелиоэнергетика).

Использование солнечной энергии для теплоснабжения.Наиболее распространено улавливание солнечной энергии

посредством различного вида коллекторов, в которых она преобразуется в тепловую и нагревает тот или иной теплоноситель. В простейшем виде это темного цвета поверхности для улавливания тепла и приспособления для его накопления и удержания.

В современных гелиоконденсаторных установках солнечная энергия с помощью отражателей фокусируется на тепловоспринимаю щую поверхность солнечного коллектора. Далее теплоноситель (например, вода) идет на отопление жилых и промышленных зданий или поступает в паровую турбину.

Коллекторы помещаются в прозрачную (из стекла) камеру, которая действует по принципу парника.

Солнечные водонагреватели используются для целей тепло- и горячего водоснабжения в южных климатических зонах.

Наземные солнечные электростанцииВ основе солнечных электростанций (СЭС) лежит технология

концентрирования солнечной энергии на поверхности парогенератора с помощью специальных отражающих зеркал (гелиостатов). Сотни тысячи таких зеркал соединяют солнечные «зайчики» в единое пятно,

56

что обеспечивает высокотемпературный (до 4000°С) подогрев любого вещества, вплоть до плавления многих металлов.

Автоматизированная система управления обеспечивает с помощью ЭВМ такое положение каждого гелиостата, что отраженные лучи, независимо от положения Солнца на небосводе, в каждый момент времени направляются строго на поверхности парогенератора. Установлены также аккумуляторы энергии. Это теплоизолированные емкости, в которых под большим давлением хранится перегретая вода. В случае облачности или после захода Солнца пар из верхней полости аккумуляторов может быть направлен на паровую турбину.

Перспективно преобразование солнечной энергии в электрическую посредством использования фотоэлементов, в которых солнечная энергия преобразуется в электрическую. КПД фотоэлементов пока невелик, но они отличаются медленной изнашиваемостью из-за отсутствия каких-либо подвижных частей. Трудности широкомасштабного применения фотоэлементов обусловлены их дороговизной и необходимостью отведения больших территорий для их размещения. Частично последняя проблема решается тем, что для размещения батарей можно использовать крыши и стены домов. Фотоэлектростанции используются в Калифорнии для превращения солнечной энергии в электричество, что позволяет справляться с пиковыми нагрузками, возникающими в летние месяцы, когда интенсивно работают установки кондиционирования воздуха. СЭС есть в Испании, Италии, Израиле, Японии.

Использование небольшого количества энергии в фотоэлементах экономически целесообразно: это энергия используется в калькуляторах, телефонах, телевизорах, кондиционерах, маяках и т. п.

Космические солнечные электростанции. В космосе Солнце излучает энергию с неизменной интенсивностью. Идеи строительства электростанций в ближнем космосе высказывал еще К.Э. Циолковский, однако патент был получен американским ученым П.Э. Глезером он же предложил для их размещения геостационарную орбиту.

Искусственный спутник Земли, находящийся на расстоянии примерно 36000 км, на так называемой геостационарной орбите (ГСО), вращается синхронно с планетой и как бы зависает над определенной точкой поверхности. Земная ось наклонена примерно на23,5 ° относительно плоскости эклиптики — большого круга небесной сферы, по которому происходит видимое годичное движение Солнца. Если поместить спутник на ГСО с таким же углом наклона, то более

57

90% времени он будет освещаться солнечными лучами. Только в дни, примыкающие к весеннему и осеннему равноденствию спутник окажется в земной тени. Поэтому геостационарная орбита наилучшим образом подходит для размещения солнечной космической электростанции (СКЭС)

Солнечная энергия может быть преобразована непосредственно в электрическую с помощью фотоэлектрических преобразователей (ФЭП), из которых комплектуются солнечные батареи. В качестве элементов прямого преобразования солнечной энергии в электрическую применяют, например, фотоэлементы на основе кремния и арсенида галлия (рисунок 7.2).

4321

1 - положительный контакт из напыленного металла; 2 - слой с повышенным содержанием брома; 3 - слой кремния толщиной 0,03 см;4 — слой с повышенным содержанием фосфора; 5 — антиотражательное покрытие; 6 - отрицательный контакт

Рисунок 7.2 — Кремниевый фотоэлемент

На спутниках и космических кораблях фотоэлектрические батареи преобразуют солнечную энергию в электрическую, питающую бортовую аппаратуру и вспомогательные двигатели, но мощность таких батарей мала. Поэтому на пути широкомасштабного применения космических электростанций (КСЭС) стоит пока не решенная проблема о способе передачи энергии на поверхность Земли.

Лазерный способ передачи энергииСейчас интенсивно разрабатывается лазерный способ передачи

энергии, при котором можно обойтись сравнительно небольшими, диаметром всего в десятки метров, приемопередающими устройствами, что обусловлено особенностями лазерного луча, в частности слабой расходимостью пучка. В то же время диапазоны частот, в которых работают мощные лазеры с высоким кпд, не совпадают с теми, где удается обеспечить эффективное обратное

58

преобразование световой энергии в электрическую; кроме того, лазерное излучение значительно ослабляется облаками и, следовательно, выходная мощность приемных устройств зависит отпогоды.

Отметим, что вопрос о том, быть или не быть на орбите Земли космическим электростанциям, остается пока открытым. Задача сложная, прежде всего в экологическом отношении, комплексная, охватывающая научные, инженерные, экономические, социально- политические аспекты. Ее вряд ли можно решить без широкого международного сотрудничества.


1. Дать понятие «добавляющие и не добовляющие» источники энергии и какая разница между ними?

2. Космическая гелиоэнергетика и наземная гелиоэнергетика и их использование.

3. Как используется солнечная энергия для теплоснобжения?4. Что лежит в основе работы наземной солнечной

электростанции?5. Принцип работы наземной солнечной электростанции?6 . Где используется фотоэлементы, когда необходимо небольшое

количество энергии?7. Какой недостаток лазерного способа передачи энергии?

7.2 Энергия океанов и морейЭкологически чистая энергия морей и океанов может быть

использована в волновых электростанциях (ВолнЭС), электростанциях морских течений (ЭСМТ) и приливных электростанциях (ПЭС), где происходит преобразование механической формы энергии воды в электрическую. Кроме того, имеются энергоустановки, которые используют наличие температурного перепада (градиента) между верхними и нижними слоями Мирового океана, — так называемые гидротермальные электростанции (ГиТЭС), а также разности солености в различныхслоях морской воды.

Энергия волн. Так называемая волновая мощность Мировогоокеана оценивается в 2,7 млрд кВт, что составляет треть потребляемойв мире энергии. Средняя волна высотой 3 м несет примерно 90 кВт

Принцип работы ВолнЭС состоит в преобразованиипотенциальной энергии волн в кинетическую энергию пульсаций и

59

I

пульсаций далее в однонаправленное усилие, которое впоследствие приводит во вращение вал электродвигателя.

Волновые электростанции могут быть сооружены непосредственно па берегу, в акватории вблизи берега или в открытом море на различном удалении от берега.

Оригинальная плавучая электростанция была разработана в Японии. Станция позволяет преобразовывать энергию волн в камерах компрессионного типа в энергию сжатого воздуха. Далее сжатый воздух из соплового аппарата поступает на лопатки турбины, вращающей электрогенератор. Энергоустановка смонтирована на судне водоизмещением 500 т, ее максимальная мощность 2 кВт. Считают, что энергоустановки подобного типа экономически более эффективны, чем другие для мелких населенных пунктов на побережье океана, где дополнительные транспортные расходы существенно увеличивают стоимость привозного органического топлива.

Главным преимуществом ВолнЭС является высокий уровень экологичности. Тем не менее волновой энергетике присущ ряд недостатков: сравнительно низкая концентрация энергии, широкий спектр волновых колебаний, относительное непостоянство в пространстве и времени.

Энергия течений. Создание гидроэлектростанций, использующих энергию океанических течений (особенно таких, как Гольфстрим и Куросио), признается одним из перспективных направлений развития океанской (морской) энергетики. Основным элементом таких гидроэлектростанций являются преобразователи, которые подразделяют на водяные и объемные насосы. К водяным насосам относят обычное лопастное колесо и различные его модификации (например, ленточное колесо с жесткими лопастями или устройства типа парашютов, автоматически раскрывающиеся при движении по потоку). Объемные насосы - это преобразователи типа сопла Вентури, у которого критическое сечение и срез расширяющейся части сопла соединены с атмосферой трубками. Жидкость в критическом сечении сопла движется со скоростью, большей скорости входящего потока. В результате создается пониженное давление, и воздух засасывается из атмосферы. После выхода из расширяющейся части сопла сжатый воздух поступает в напорную трубу, в которой расположена пневмотурбина. Потоки воды течения вращают лопасти турбины, а через систему мультипликаторов, повышающих число оборотов, вращают и находящийся на ее валу электрогенератор. Наибольшую проблему

60

представляет передача производимом электроэнергии по подводномукабелю на берег. Турбину намечается устанавливать в районахтечений на якоре и поднимать на поверхность с глубины рабочегоположения только для профилактического осмотра. Стоимостьпроизводимой электроэнергии на подобной электростанцииожидается в 1,8 раза ниже, чем на тепловых станциях, и в 1,4 разаниже, чем на атомных.

Энергия приливов и отливов. Известно, что уровень Мировогоокеана периодически колеблется: происходят прилив и отлив. Чередование приливов и отливов происходит ежесуточно через 6 ч 12 мин. Причиной указанного колебания является так называемая приливообразующая сила, которая возникает при гравитационном взаимодействии Земли с Луной и Солнцем. При этом приливообразующая сила Луны в конкретной точке земной поверхности определяется как разность местной силы притяжения Луны и центробежной силы от вращения системы Земля-Луна вокруг общего для этих небесных тел центра тяжести.

Приливы и отливы - источник экологически чистой энергии, огромный и практически неисчерпаемый, не зависящий ни от сырьевых запасов, ни от капризов погоды. Только часть мощности приливов, которая рассеивается на трение и вихревое движение масс воды, составляет около 1 млрд кВт, что соответствуетэнергетическому потенциалу почти всех рек мира.

Такие электростанции строятся как в виде стационарных перемычек и наплавных констрккций. Установлено, что наплавные конструкции обходятся гораздо дешевле стационарных перемычек.

Использование разности температур различных слоевморской воды.

Установлено, что средняя разность температур в Мировом океане на поверхности и на глубине 400 м составляет 12°С.

С целью преобразования энергии, обусловленной перепадомтемператур, используют системы, построенные:

1) по открытому принципу и одноконтурной схеме, когда вкачестве рабочего тела применяется морская вода;

2 ) по закрытому принципу и двухконтурной схеме, когда применяется промежуточное рабочее тело (фреоны, аммиак, пропан и т.п.).

Открытый цикл устраняет все проблемы, касающиеся обращения с аммиаком, фреоном и т. п. Пресная вода вырабатывается в качестве побочной продукции. Принцип действия энергоустановок, использующих второй принцип (закрытый), состоит в следующем. Низкокипящее рабочее тело (например, широко применяемые в

61

холодильной технике теплоносители группы фреонов или аммиак) испаряется в теплообменнике - испарителе за счет подвода теплоты от верхних теплых слоев океана. Пары низкокипящего рабочего тела при повышенных температуре и давлении поступают в турбину, где тепловая энергия теплоносителя преобразуется в механическую энергию вращения турбины. На одном валу с турбиной находится электрогенератор. Из турбины пары рабочего тела поступают в конденсатор, где они переводятся в жидкое состояние в процессе охлаждения водой, подаваемой из нижних холодных слоев океана. Далее рабочее тело подается в насос, откуда после повышения давления оно снова поступает в теплообменник - испаритель. Тем самым замыкается термодинамический цикл преобразования тепловой энергии в электрическую.

К основным недостаткам указанных установок относится нарушение теплового равновесия из-за перемешивания теплых поверхностных и холодных глубинных вод, при котором возможны отрицательные последствия для теплолюбивой фауны при изменении абсолютной температуры. Кроме того, содержание диоксида углерода в глубинных водах океана больше, чем в поверхностных, в результате чего он может выделяться в атмосферу и влиять на климатическую обстановку в данном регионе.

Использование градиента солености вод. Проведены теоретические исследования и выполнен цикл опытноконструкторских работ, подтверждающих возможность создания энергетики, которая основана на перепадах солености вод. В настоящее время оцениваются перспективы масштабного использования указанной технологии и его экологические последствия.


1. В чем заключается энергия волн?2 . Главное достоинство ВолнЭС Я экологичность, а каковы

недостатки?3. Почему использование энергии течений считается одним из

перспективных методов развития морской энергетики?4. Какие достоинства энергии приливов и отливов используются

для создания электростанций (ПЭС)?5. В каком случае использование морской энергии дает побочный

продукт - пресную воду?

62

7.3 Геотермальная энергетикаПодсчитано, что на глубине до 5 км количество сосредоточенной

теііпоты многократно превышает энергию, заключенную во всех видах ископаемых энергоресурсов. В отдельных регионах, например, на Камчатке, в Исландии горячие воды изливаются на поверхность в виде гейзеров. Геотермальная энергия, получаемая за счет использования природного тепла земных недр, является наиболее перспективной и экологически безопасной среди возобновляемых энергетических источников. Различают геотермальные источники с естественными и искусственными теплоносителями. В первом случае в качестве рабочего тела в энергетических установках используют термальные воды или пароводяные смеси естественногопроисхождения.

В основном используют термальные воды неглубокого залегания с температурой 50-100°С. В северных широтах подземные термальные воды используются для отопления жилищ, для лечебных целей, для выращивания овощей и даже фруктов в специальныхоранжереях.

Например, в США проводятся эксперименты по закачке холодной воды в скважины, пробуренные до глубины 4 км в зону горячих, но трещиноватых и потому безводных пород. Примерно 3/5 закачиваемой воды через другие скважины поступает на поверхность, но уже в виде горячего пара. Этот пар может не только вырабатывать электроэнергию, приводя в движение турбины, но и использоватьсядля центрального отопления.

Весьма перспективными представляются районы проявлениявулканической деятельности. Вулканы, как известно, являются крупнейшими источниками горячей воды и пара не только в период извержения, но и во время спокойной деятельности. Новым шагом в эффективном использовании глубинного тепла Земли станет в обозримом будущем создание сети сверхглубоких сквжин с помещенными в них так называемыми «термобатареями». Подобная сеть способна обеспечить практически неограниченное количество экологически чистой энергии, порожденной только внутренним теплом Земли и не поставляющей загрязнения на ее поверхность.


1. В чем преимущество использования геотермальной энергетики?

2. Чем отличаются естественные геотермальные источники от

63

искусственных?3. Что такое «термобатареи» где и для чего они используются?

7.4 ВетроэнергетикаЭнергия ветра в конечном итоге есть результат тепловых

процессов, происходящих в атмосфере планеты. Причина активных процессов перемещения воздушных масс заключается в различии плотностей нагретого и холодного воздуха. Таким образом, первоначальным источником энергии ветра является энергия солнечного излучения, которая переходит в одну из своих форм - энергию воздушных потоков.

Интерес к использованию ветра для получения электроэнергии оживился в последние годы. Было установлено, что в районах с интенсивным движением воздуха ветроустановки вполне могут обеспечивать энергией местные потребности. Современная ветроэнергетика - преобразование энергии ветра во вращательное движение лопастного колеса в колебания, которые воспринимаются пьезоэлектрическими преобразователями, или в поступательное движение объекта с помощью ветродвигателей (парусов, роторов). КПД ветроустановок достигает относительно больших значений. Хотя ВЭС принято считать экологически безопасными, это не так, их эксплуатация выявила ряд отрицательных факторов.

Во-первых, при работе они генерируют инфразвук с частотой ниже 16 Гц, который вызывает у людей угнетенное состояние, чувство беспокойства и дискомфорта, оказывает негативное воздействие на наземных животных п птиц. Следовательно, территория, где размещены ВЭС, становится опасной в качестве среды обитания.

Во-вторых, в случае широкомасштабного применения ВЭС отчасти нарушается тепловой баланс в районах их размещения из-за изменения условий переноса тепла вдоль земной поверхности. В конечном итоге может произойти изменение розы ветров в расположенных рядом промышленных районах, что усилит загрязнение воздушного бассейна.

В третьих, вследствие отражения радиоволн УКВ и СВЧ диапазона от движущихся лопастей ВЭС нарушается нормальная работа навигационной аппаратуры авиалайнеров и ухудшается прием телевизионных передач.

Для устранения указанных недостатков были предложены два выхода:

1) прямое преобразование (без ветряка) энергии ветра в

64

электрическую;2) вынос ВЭС в море, открытый океан.Исследования показали, что скорости ветра увеличиваются по

мере удаления от береговой линии. Так, на расстоянии 40 км от берегов скорость возрастает на 20-25%, что позволяет получить от нее в 2 раза больше энергии при тех же параметрах ВЭС. Кроме того, размещение ВЭС в морских акваториях позволяет обеспечить энергией добывающие платформы и использовать земельные участки для выращивания сельскохозяйственной продукции. В то же время экологичность проекта вызывает определенные сомнения: возможны помехи рыболовству, судоходству, отрицательные последствия на развитие гидробионтов.


1 .Что является источником энергии ветра?2. Принцип работы (ВЭС) - ветровой электростанции.3. Какие отрицательные факторы тормозят применению энергии

ветра?4. Каким образом можно уменьшить отрицательные факторы для

развития ВЭС?

7.5 БиоэнергетикаБиоэнергетика основана на получении биомассы, которая

используется в качестве топлива непосредственно или после соответствующей переработки. При этом выделяют три направленияполучения тепловой энергии:

1) непосредственное сжигание биомассы;2 ) брожение биомассы, при котором выделяется теплота;3 ) использование таких энергоносителей, как биогаз или спирты,

которые извлекаются в процессе образования биомассы.Первое направление (сжигание растений) используется

человеком более ста тысяч лет. И сейчас во многих странах ежедневно пользуются дровами для отопления, освещения и приготовления пищи. Даже в столь развитой стране, как США, сейчас сжигается больше древесины, нежели ее идет на строительство и на производство бумаги.

Особенностью в настоящее время является то, что источником древесного топлива служит не только дикорастущий лес, но и специальные плантации быстрорастущих видов деревьев, например, тополя, ивы, ольхи, осины. Так, в Швеции, которая постепенно отказывается от атомной энергетики, в ближайшие годы планируется

65

ежегодно засаживать не менее 10 тыс. га так называемого энергетического леса. Во избежание недостатков, присущих древесному топливу (относительно большой объем, большой процент влаги), проводят обработку, например, брикетирование.

Второе направление состоит в использовании теплоты, которая выделяется при брожении органических отходов (навоза, помета, опилок и т. п.); ее можно применить для обогрева парников, теплиц и других объектов.

Третье направление — извлечение из биомассы (отходов растениеводства и животноводства) таких энергоносителей, как биогаз или спирты.

Считалось еще недавно, что горючее из навоза и других отходов не может конкурировать с природным газом и нефтепродуктами. Но в последние годы эту точку зрения начали пересматривать, причем не только с энерго-экономических, сколько с экологических позиций.

Тысячи крупных животноводческих комплексов и птицефабрик построены по всему миру, сотни их размещены и в нашей стране. Их функционирование сопровождается образованием огромных количеств навоза и растительных остатков. Поскольку комплексы размещали подчас недалеко от городов, это усугубляло их отрицательное воздействие.

Для переработки стоков животноводческих комплексов часто применяют так называемое анаэробное сбраживание, в результате которого резко ускоряется природный процесс выделения метана СИ* (биогаза). Остаются неиспользованными миллионы тонн соломы, каждая тонна которой при метановом брожении дает 1 л жидкого топлива. Между тем солому и другие растительные остатки до сих пор предпочитают сжигать, не заботясь об экологических последствиях. Подсчитано, что отходы сельскохозяйственного производства во всем мире составляют более 4 млрд т. Их переработка в метан может удовлетворить не менее 1 0% современных мировых энергетических потребностей.

Биологическая переработка органических отходов (биоконверсия) промышленности, сельского и жилищно- коммунального хозяйства - сложный микробиологический процесс.

Другой продукт биоконверсии - остаток (шлам) - обеззараженное высокоэффективное удобрение, по своим свойствам приближающееся к минеральному удобрению типа нитрофоски Органические удобрения, получаемые в результате анаэробной ферментации отходов, значительно лучше в агрономическом отношении, нежели полученные обычным методом компостирования.

66

Широкое внедрение биоконверсии органических отходов решат нисколько важнейших задач - сохранение окружающей среды, снабжение энергией, а также снижение риска распространения различных эпидемий у животных (при анаэробной ферментации уничтожаются яйца гельминтов, вредная микрофлора и сеченасорняков).


1. Каким образом используется биомасса для получения энергии?2. Перечислите и дайте характеристику направлений работы по

использовании биомассы как источника энергии?3. Дать понятие «биоконверсия».

7.6 Водородная энергетикаОгромный интерес к водороду как к перспективному топливу

обусловлен радом неоспоримых его преимуществ, главные из которыхтаковы:

1) экологическая безопасность водорода в отличие от других топлив, так как продуктом сгорания его является водяной пар;

2) очень высокое значение теплоты сгорания (вчетверо больше.чем у каменного угля):

3) высокая теплопроводность;4) низкая вязкость, что очень важно при необходимости его

транспортировки по трубопроводам, особенно на большие расстояния:5) практически неограниченные запасы сырья, если в качестве

такового рассматривать воду;6) возможность многостороннего применения водорода: он может

быть использован как топливо во многих химических и металлургических процессах, в авиации и автотранспорте, а также ввиде добавок к моторным топливам.

Вышеизложенное дало толчок к созданию т.н. водородной энергетики, в которой водород используется как носитель энергии. Водородная энергетика включает следующие стадии: получение водорода из различного сырья: хранение его в газообразном и сжиженном состояниях или в виде искусственно полученныххимических соединений.

Получение водорода. Для промышленного производстваводорода используют в основном природный газ, жидкие и твердыегорючие ископаемые, воду.

В настоящее время наибольшее количество водорода получают

67

паровой конверсией природного газа. Указанный процесс включает следующие стадии:

1) каталитическая конверсия метана с водяным паром;2) конверсия СО с водяным паром;3) выделение водорода из газовой смеси.Процесс проводят путем последовательной очистки газовой смеси

от С02 и остатков непрореагировавших СО, СИ* и Н20.Получение водорода из твердых горючих ископаемых (например,

угля) включает переработку последних с водяным паром и воздухом или кислородом (газификацию). При этом образуется водяной газ, который содержит до 40 % СО и 50 % Н2, а также С02, СН4, N2 и примеси сернистых соединений. В дальнейшем газы очищают от нежелательных компонентов, прежде всего негорючих примесей.

Электролизом воды можно получать водород совместно с кислородом.

Традиционные методы получения водорода недостаточно экономичны, если речь идет о широкомасштабном его производстве, исчисляемом сотнями млн т. Поэтому для нужд водородной энергетики предлагается как усовершенствовать традиционные методы, так и разработать новые, причем с использованием преимущественно ядерной н солнечной энергии.

Рассмотрим некоторые из недавно предложенных, т.н. нетрадиционных методов получения водорода.

Установлена возможность электролиза воды с использованием в качестве электролита расплава щелочи, твердого полимера (ТП- электролиз), керамики на основе Zr02, (высокотемпературный электролиз); процесс требует затрат электроэнергии на 30-40% меньше, нежели традиционный способ.

В последние годы интенсивно разрабатываются плазмохимические технологии получения водорода, связанные с использованием низкотемпературной (103-105 К) плазмы.

Имеют перспективу и термохимические циклы получения водорода из воды. Указанные термохимические циклы представляют собой совокупность последовательных химических реакций, приводящих к разложению воды при более низкой температуре, чем та, которая требуется для термической диссоциации. В этих циклах все компоненты системы, кроме водородсодержащего сырья (воды), регенерируются.

Изучается также радиолиз воды и водных растворов, под действием ядерного излучения Наиболее мощные источники такого излучения - ядерные реакторы.

68

Среди других исследуемых в последнее время методов полученияотметить

Фотоэлектролиз - метод получения водорода и кислорода из водыпри помощи солнечной энергии.

Биофотолиз воды основан на том, что определенныемикроорганизмы, например, хлорелла, использующие солнечнуюэнергию для своей жизнедеятельности, способны разлагать воду собразованием водорода.

Хранение и транспортирование водорода. Газообразныйводород хранят в специальных емкостях — газгольдерах, а такжесосудах высокого давления - баллонах. Существуют проектыподземного хранения больших количеств водорода в выработанныхместорождениях нефти и газа, горных выработках, искусственныхсоляных кавернах. Жидкий водород хранят и транспортируют вспециальных герметических резервуарах с эффективной тепловойизоляцией.

Наконец, проводятся исследования в области получения и хранения водорода в твердом и шугообразном состояниях.


1. Перечислите причины использования водорода как топлива.2. Расскажите об основных методах получения водорода3. Перечислите нетрадиционные методы получения водорода..4. Как необходимо хранить и транспортировать водород?

69

Литература

1 Голицин А. Н. Промышленная экология и мониторинг загрязнения природной среды. - М .: Оникс, 2010. - 332 с.

2 Денисов В. В. Промышленная экология. - М .: Академия, 2007.- 402 с.

3 Иванов Н. И., Фалин И. М. Инженерная экология и экологический менеджмент. - М .: Логос, 2004. - 572 с.

4 Калыгин В. Г. Промышленная экология. - М. : АСАДЕМА, 2004. - 404 с.

5 Методика расчета концентрации в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий. ОНД-86. - М .: Госкомиздат, 1987. - 93 с.

6 Росляков П. В. Методы защиты окружающей среды. - М. : Издательсткий дом МЭИ, 2007. - 334 с.

7 Тимонин А. С. Инженерно-экологический справочник :1 т. - М .: Химия, 2004. - 790 с.

8 Экологический кодекс Республики Казахстан, 2007.

70

Содержание

Введение1 Система стандартов и критерии качества окружающей среды1.1 Стандарты серии 14000 (ISO/ТС - технический комитет)1.2 Нормирование загрязняющих веществ в биосфере2 Характеристика сточных вод. Методы очистки сточных вод2.1 Методы механической очистки2.2 Химические методы2.3 Физико-химические методы очистки сточных вод.2.4 Термические методы очистки сточных вод2.5 Биохимические методы очистки сточных вод2.6 Очистка ионизирующим излучением3 Техногенное воздействие предприятий топливно-

энергетического комплекса на окружающую среду4 Загрязнение окружающей среды промышленными

предприятиями5 Вредные выбросы в окружающую среду5.1 Расчет массовой концентрации оксидов азота при сжигании

газа и мазута5.2 Определение количества выбросов с продуктами сгорания6 Техногенное воздействие нефтеперерабатывающей

промышленности на окружающую среду. Методы защиты6.1 Аварийные разливы нефтепродуктов6.2 Методы ликвидации загрязнений почвы нефтью и

нефтепродуктами6.3 Сбор разлившегося на почве нефтепродукта подразделяется

на механические и физико-химические методы7 Альтернативная природосберегающая энергетика7.1 Использование солнечной энергии7.2 Энергия океанов и морей7.3 Геотермальная энергетика7.4 Ветроэнергетика7.5 Биоэнергетика7.6 Водородная энергетика

Литература

К. Ш. Арынгазин, М. К. Семенова, JL М . Беляева.,Д. А. Алигожина, А. X. Жакиянова.

ПРОМЫШЛЕННАЯ ЭКОЛОГИЯ

Методические указания

Технический редактор 3. Ж. Шокубаева Ответственный секретарь Е. В. Самокиш

Подписано в печать 31.03.2015 г.Гарнитуpa Times.

Формат 29,7 х 42 V*. Бумага офсетная. Усл.печ. л. 037 Тираж 300 экз.

Заказ № 2521

Издательство «КЕРЕКУ» Павлодарского государственного университета

им. С.Торайгырова140008, г. Павлодар, ул. Ломова, 64

АР

2015 г.

Составители: К. Ш. Арынгазин, М. К. Семенова, Л. М. Беляева, Д. А. Алигожина, А. X. Жакиянова

Кафедра «Профессиональное обучение и защита оружающейсреды»

«Промышленная экология» практикум для студентов специальности

5В073100 - «Безопасность жизнедеятельности и защита окружающейсреды»

Утверждено на заседании кафедры -/У (71._______ 2015 г.Протокол № iJL

Заведующий кафедрой К. Ш. Арынгазин

Одобрено учебно-методическим советом АСФ АО 2015 г.Протокол №

Председатель УМС

Одобрено учебно-методическим советом Павлодарскогогосударственного университета им. С. Торайгырова о* 201 £ 1 г- Протокол № £

С О Г Л А С О В А Ш 9 _ ^Декан АСФ ' М. К. Кудерин (?£ _ 2015 г.

Нормоконтролёр^ОМ К Г. С. Баяхметова 0 3 _ 2015 г.

ОДОБРЕНОНачальник У МО А. Б. Темиргалиева & 2015 г.

Ж. А. Темербаева

ПРОМЫШЛЕННАЯ...

Documents