Технологія ліквідації нафтових забруднень для безпеки водних екосистем

Размещено на http://www.allbest.ru/

Технологія ліквідації нафтових забруднень для безпеки водних екосистем

біосорбент нафтовий забруднення

Дедалі більший вплив людства на природу загрожує відновлювальним функціям біосфери, руйнує основні відтворювальні ланцюги та біохімічні цикли і врешті-решт спричиняє локальні та глобальні екологічні катастрофи різке зменшення екологічних ресурсів. Досить частими, збитковими та небезпечними для екології території України є розливи нафти в акваторіях Чорного та Азовського морів, у яких щороку збільшуються масштаби транспорту та видобування нафти, а глобальне потепління пришвидшує розповсюдження розливів нафти. Аварія з безпрецедентним катастрофічним розливом нафти в Мексиканській затоці засвідчила реальну можливість глобального руйнівного впливу розливів нафти на природне середовище та багатократно підвищила актуальність створення нового технологічного процесу й обладнання для швидкої та ефективної ліквідації цих розливів.

Як свідчить аналіз, найбільш перспективні сучасні технології пов'язані з розпорошуванням по розливу нафти адсорбентів та особливо біологічних адсорбентів - біосорбентів. Однак сучасні технологічні процеси та обладнання забезпечують малу далекість та площу розпорошування адсорбентів та біосорбентів, що унеможливлює їх ефективне використання. Тому для ліквідації наслідків цих катастроф потрібна велика кількість одиниць спеціальної техніки, а також важка і тривала робота сотень висококваліфікованих рятувальників у небезпечних зонах.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Наведені у дисертаційній роботі дослідження пов'язані з науково-дослідною темою Інституту гідромеханіки НАН України «Проведення теоретичних і експериментальних досліджень щодо визначення відстаней, на які необхідно перенести існуючий магістральний газопровід, де буде гарантована сейсмобезпечна його експлуатація при технологічних вибухах, які будуть проводитись в умовах Єристовського кар'єру ВАТ «Полтавський ГЗК», у разі введення його в експлуатацію» (2006-2009 рр., № ДР 0103U000008). Дисертант розробляв обладнання для локалізацїї екологічно шкідливих викидів продуктів вибухів - пилу та газів.

Мета і завдання дослідження. Мета дослідження - розробити технологічний процес та обладнання для ефективного далекого, масштабного і рівномірного розпорошування біосорбентів, що ефективно локалізують і ліквідують розливи нафти в акваторіях.

Для реалізації поставленої мети в дисертаційній роботі потрібно вирішити такі основні завдання:

- вивчити технологічні процеси та обладнання локалізації і ліквідації розливів нафти в акваторії, що полягають в розпорошуванні гранульованих біосорбентів - модифікації адсорбентів - по нафтовій плівці з кораблів. Показано, що їх основним недоліком є сучасне обладнання з низькими показниками далекості, масштабів і рівномірності розпорошування гранульованих адсорбентів;

- обґрунтувати і розробити технологічний процес імпульсного розпорошування та обладнання - багатоствольну розпорошувальну установку, що використовує порохові заряди для далекого, масштабного, рівномірного розпорошування водної суспензії біосорбентів по поверхні нафтової плівки на акваторії;

- експериментально дослідити горизонтальне розпорошування водної суспензії біосорбентів по поверхні нафтової плівки на воді і вертикальне розпорскування води по горизонтальній площі. Отримати залежності далекості і площі розпорошування, а також ефективної дії установки від величин маси біосорбенту в суспензії, заряду пороху та кількості стволів у залповому розпорошуванні;

- підготувати початкові дані - маси біосорбенту, води та порохового розпорошувального заряду в одному стволі, кількість стволів у залпі для розробляння технічних завдань проектування дослідно-промислових зразків установок імпульсного розпорошування - корабельних та гелікоптерних.

Об'єкт дослідження становлять процеси імпульсного горизонтального розпорошування водної суспензії біосорбентів, що ліквідовують нафтову плівку на поверхні води, а також вертикального розпорскування води, що коректно імітують вертикальне розпорошування водної суспензії біосорбентів.

Предметом дослідження є залежність далекості і площі розпорошування водної суспензії біосорбентів від їх маси, напрями розпорошування, величини розпорошувального порохового заряду, кількості стволів в одному залпі в установці у процесі ліквідації нафтової плівки на водній поверхні.

Методи дослідження: проведення полігонних експериментів і оцінювання їх результатів, планування експериментів на основі ймовірнісного аналізу, оцінювання достовірності експериментів із заданою надійною ймовірністю, графічна побудова отриманих залежностей.

Наукова новизна здобутих результатів полягає в тому, що:

- вперше реалізовано швидке, далеке й масштабне розпорошування мало щільного, гранульованого, нетермостійкого адсорбенту на нафтову плівку на воді, вивчено технологічний процес горизонтального розпорошування водної суспензії біосорбенту, установлено залежності величин далекості і площі розпорошування та ефективної дії біосорбенту від величин мас адсорбенту і розпорошувального заряду, кількості стволів у процесі залпового розпорошування;

- вивчено технологічний процес імпульсного, вертикального розпилювання води на горизонтальну площу, установлено залежності площі ефективної дії від величин мас води і розпилювального заряду в стволі та кількості стволів у процесі залпового розпилювання;

- уперше встановлено оптимальні величини маси адсорбенту та води у розпорошуваній суспензії, а також розпорошувального порохового заряду в стволі;

- залежності далекості і площі рівномірного горизонтального розпорошування біосорбенту з одного ствола від розпорошуваної маси , маси порохового заряду та кількості стволів у процесі залпового розпорошування;

- залежності горизонтальної площі рівномірного розпилення води за вертикального її розпилювання від висоти, з якої її розпилюють, маси заряду вибухівки, маси води, що розпилюють з одного ствола, кількості стволів у процесі залпового розпилювання;

- створено методику керування величинами далекості і площі функціональної дії у процесі імпульсного розпорошування біосорбенту.

Практичне значення здобутих результатів:

- розроблено обладнання (установку і спеціальні боєприпаси) імпульсного розпорошування водної суспензії гранульованих, малощільних, нетермостійких біосорбентів. Досліджені далекість до 55 м і площа від 200 до 450 кв. м ефективного розпорошування біосорбентів більш ніж у 10 разів перевищують параметри сучасного устаткування для розпорошування адсорбентів;

- вироблено як пілотну партію міні-розпилювачів та випробувано у Щвейцарії фірмою «Рyromex»;

- на замовлення МНС України концерн «Укрпожсервіс» на базі здобутих результатів проводить дослідно-конструкторську роботу щодо створення багатоствольного модуля, який розпорошує біосорбенти і розпиляє вогнегасні рідини, для корабля, автомобіля, причепа и гелікоптера.

Особистий внесок здобувача в роботи, опубліковані у співавторстві: [1] - проведення експериментальних робіт та оброблення їх результатів; [2] - проведення експериментальних робіт, формулювання висновків; [3] - написання розд. 1-6; [4] - проведення експериментальних робіт, написання висновків; [5] - постановка завдань, проведення числових розв'язань; [6] - аналіз здобутих результатів; [7] - розробляння допоміжних пунктів формули і описання патенту; [8] - розробляння методики прогнозного використання імпульсної техніки військовими частинами; [9] - розробляння допоміжних пунктів формули і описання патенту; [10] - розробляння основного пункту формули.

Апробація результатів дисертаційних досліджень. Основні положення дисертаційної роботи та окремі її результати обговорено на науково-технічних конференціях, а саме: міжнародних науково-практичних конференціях «Пожежна безпека - 2002», «Пожежна безпека - 2007» (м. Черкаси); на міжнародній конференції «Mediterranium Forest Fire - Fighting» (2001 р., Франція, м. Ер), «Проблеми гасіння сучасних пожеж» ( Москва, 2005 р.); на 5, 7 і 8 міжнародних науково-практичних конференціях «Проблеми розробки і впровадження сучасних інформаційних технологій моніторингу навколишнього середовища та управління екологічною та інформаційною безпекою в регіонах» (с. Рибальське, Крим, 2006 , 2008, 2009 р.); “Fire Department Instructor's Conference” - FDIC - 2007 (USA, Indianopolice ); 5 міжнародній конференції «Технічні засоби протидії терористичним і кримінальним вибухам» (Санкт-Петербург, 2009 р.); «Black Sea Green Conference» (Севастополь, 2009 р.).

Публікації. За результатами виконаних дисертаційних досліджень опубліковано 17 друкованих праць,зокрема 10 у наукових фахових виданнях, затверджених ВАК України.

Структура дисертації. Дисертаційну роботу викладено на 151 сторінці машинописного тексту, вона складається зі вступу, п'яти розділів, загальних висновків, списку використаних джерел з 103 найменувань, 5 додатків на 10 сторінках, містить 10 рисунків, 15 таблиць. Загальний обсяг роботи становить 208 сторінок.

У вступі визначено актуальність теми дисертації, сформульовано мету і завдання роботи. На підставі аналізу основних результатів, які увійшли до дисертації, обґрунтовано їх наукову новизну та практичне значення. Розкрито особистий внесок автора у наукові праці, опубліковані разом із співавторами. Наведено дані про зв'язок дисертаційної роботи з науковими темами і про апробацію результатів досліджень.

У першому розділі дисертації виконано критичний аналіз відомих досліджень з проблеми ліквідації наслідків екологічних аварій і катастроф, виявлено вади сучасної аварійно-рятівної техніки за показниками далекості, масштабу й ефективності роботи, вартості машини і забезпечення її ефективної роботи, тривалості і ступеня безпеки роботи.

Відзначено, що в розвиток теорії і практики з цієї проблеми зробили великий внесок відомі вітчизняні і зарубіжні науковці: Абдурагімов І. М., Азаров С. М., Алтунін А. Т., Альбоций О. В., Баратов А. Н., Блекшир П., Волошин С. М., Гаспар Ф., Гришин A. M., Єкимов В. А., Захматов В. Д., Кошмаров Ю. Д., Макаров В. Е., Нігматулін Р. И., Новиков В. Д., Кимстач І. Ф., Мамедов Р., Курбатський Н. П., Кутушев А. Г., Мазилін О. М., Мелехов І. С., Кореньков В. В., Первушин А. В., Шрайбер Г., Яцик А. В., Brannigan F. L.., Emmons H. W., Thomas P. H., Simms D. L., Wright H., Thorpe S. Langmuir Т., Witman K. G. та багато інших. Проте є загальні проблеми ефективної і своєчасної ліквідації наслідків аварій, катастроф, які залишаються ще далеко від свого вирішення.

Усесвітньою тенденцією є створення нових дорогих адсорбентів для локалізації розливів нафти. Проте сучасна механічна, пневматична і гідравлічна техніка не може швидко та ефективно розпорошувати адсорбенти по розливах нафти, що в багато разів знижує практичний результат технологічного процесу ліквідації розливів нафти і збільшує збитки.

Проаналізовано процеси ліквідації наслідків найбільших аварійних розливів нафти на морі у Феодосії (1986), Іспанії (2003),на Алясці (2002), у Норвегії (2008). Показано, що їх ліквідація складна, тривала і при цьому найефективніше пришвидшити процес збирання нафтової плівки з поверхні морів можна за рахунок рівномірного розпорошування адсорбентів на поверхню розливів нафти. Азово-чорноморський морський басейн дуже переобтяжений нафтовою транспортною системою - підводними трубопроводами, танкерами. Небезпека розливів нафти та екологічної катастрофи неприпустимо висока.

Проаналізовано розвиток авіаційних систем зливу води для локалізації і нейтралізації екологічно шкідливих впливів на довкілля. Доведено, що основна причина низької ефективності полягає у великих (до 98 %) аеродинамічних втратах води і великому розмірі крапель води. Обґрунтовано, що доцільно знизити втрати, збільшити масу і ступінь дисперсності води в зоні впливу. Не менш важливо дбати про безпеку польотів у зоні катастрофи, збільшивши їх висоту, але не знижуючи ефективності і точності розпилювання. Розглянуто водяні бомби, розроблені в російському НВО ФДУП «БАЗАЛЬТ» і в ІПМ НАН України.

На основі аналізу літературних джерел про техніку локалізації і нейтралізації розливів нафти сформульовано завдання цієї дослідницької роботи:

- обґрунтувати і розробити технологічний процес та обладнання - прилад для розпорошування водної суспензії біосорбентів по нафтової плівці на воді,

- експериментально вивчити закономірності імпульсного, горизонтального та вертикального розпорошування водної суспензії мало- щільних, гранульованих, нетермостійких адсорбентів з допомогою порохових та вибухових зарядів, відпрацювати режим дистанційного і рівномірного накриття розливу нафти із заданою питомою витратою адсорбенту;

- обґрунтувати перспективи подальшого розвитку цих досліджень і практичного застосування результатів.

У другому розділі обґрунтовано універсальний механізм імпульсного розпилювання різних матеріалів і описано розрахункову модель процесу імпульсного розпорошування гранульованих біосорбентів. Показаний зв'язок основних параметрів процесу імпульсного розпилювання з далекістю і площею рівномірного розпорошування біосорбентів та іх ефективної, функціональної дії. Розглянуто особливості внутрішньої і зовнішньої балістики систем імпульсного розпорошування: невисокий тиск у камері згорання (патроннику) - е більше як 1000 Па і в каналі ствола - не більше як 200 Па; проникнення газової хвилі всередину маси суспензії і змішування з ефектом релаксації хвилі; утворення газокрапельно-гранульованого вихору (ГКГВ), стійкого до аеродинамічного опору на траєкторії руху, малий час викиду речовини з каналу ствола, що підвищує безпеку системи і точність розпилювання по цілі.

Для математичного моделювання процесу імпульсного розпилювання застосовано спрощену модель процесу поширення ГКГВ, рівномірного за об'ємною концентрацією розпорошеної маси. Подано відому замкнену систему диференціальних рівнянь двошвидкісного, двотемпературного руху суміші газу з твердими частинками, складену у рамках методів механіки гетерогенних середовищ. У спрощеній постановці отримано аналітичний розв'язок цієї системи рівнянь, що описує хвилевий рух розпорошеної маси, прискорюваної газовою вибуховою хвилею.

де U2, x2, r2 - відповідно швидкість, координата і щільність частинок порошку, T - час, Pf - ефективна міжчастинкова напруга, (1) - рівняння руху частинок порошку за Ейлером, (2) - рівняння збереження маси, (3) - рівняння полягання частинок в «скелеті» у припущенні умови баротропії. У результаті розв'язання (1), (2) за заданих початкових і граничних умов отримано такі вирази:

для швидкості частинок розпорошеної маси

координати частинок розпорошеної маси:

; (4)

тиск у «поршні» газоподібних продуктів вибуху, що штовхає порошок:

де A2 - швидкість звуку в розпорошеної маси, L - об'ємний вміст фаз. Індекси 1 і 2 відповідають параметрам газу і частинок розпорошеної маси. На рис.1 наведено розрахункові профілі об'ємного вмісту дисперсної фази L2(a), швидкості матеріалу U2(b) і міжфазового тиску Pf в газогранульному потоці у різні значення часу T.

Аналіз проведених розрахунків дав змогу встановити найбільшу далекість руху ГКГВ (L), можливу за певного діапазону величин його початкової (дульної) швидкості. З перевищенням цього рівня L знижується внаслідок різкого зростання аеродинамічного опору. Цей діапазон потрібно визначати експериментально для кожного розпорошуваного матеріалу, оскільки описана модель та інші відомі розрахункові методики не дають змоги провести коректні розрахунки нестаціонарних, складних процесів створення та руху багатофазного середовища.

Установлено, що найбільш вигідна для прискорення гранул газова хвиля з плоским фронтом, перпендикулярним осі каналу ствола, що рівномірно впливає на розпорошеної масу, по всій площі перерізу каналу ствола. Рівномірне за об'ємною концентрацією газогранульно середовище циліндрової форми рухається самостійно за стволом не далі 10-15 м за будь-яких дульних швидкостей, далі його рух відбувається під впливом повітряних потоків.

Показано, що далекість і час стійкого руху ГКВ, за аналогією з механізмом руйнування краплі в польоті або під впливом ударної хвилі, визначатиметься часом його існування під руйнівною дією аеродинамічного опору до моменту розпаду на окремі фрагменти або перетворення на хмару. Оптимальний режим формування в каналі ствола стійкого, «довго живучого» ГКВ можливо визначити тільки експериментально. Доцільно досліджувати режим залпового розпилювання з декількох розпилювальних стволів. Обґрунтовано конструкції імпульсного багато-ствольного обладнання унітарного або роздільно-гільзового заряджання патронами з розпорошувальними зарядами і герметичними контейнерами, які містять розпалювану речовину. Цим досягають: універсальності і контролю розпорошування різних матеріалів і їх довготривалого зберігання за збереження функціональних якостей, швидкого перезарядження стволів, високої стабільності розпорошування у різних пострілах. Ствол має бути змінного калібру з патронником малого калібру і великим калібром основної частини ствола. Для горизонтального розпилення з відкатних стволів доцільно вибирати швидкоспалюваний порох, для вертикального розпилювання з безвідкатних стволів - низькоімпульсні вибухові речовини. Розроблено дев'ятиствольне, універсальне розпилювальне обладнання, патрони з розпилювальними пороховими зарядами, контейнери із розпилюваною суспензією, методику заряджання обладнання і техніку безпеки.

Проведені теоретичні дослідження дали змогу лише обґрунтувати способи вирішення поставлених завдань і засвідчили неможливість їх вирішити завдяки розрахункам, зважаючи на брак коректних математичних моделей складних, нестаціонарних багатофазних процесів поширення і тим більше функціональну дію ГКВ. Тому для вирішення поставлених завдань обрано метод натурного полігонного експерименту в реальних масштабах часу.

Проведено планування експериментальних досліджень. Функціональна ефективність імпульсного, розпорошувального обладнання - це багатовимірна величина, залежна від деяких чинників, з яких досліджено:

де M - маса розпилюваної речовини, m - маса порохового розпилювального заряду в патроні; L, S - відповідно далекість і площа ефективної дії. Експерименти дослідження проведено на основі методів імовірнісного аналізу із знаходженням критеріїв Кохрена, Фішера, Романовського. При цьому результати експериментів Xi визначено за формулою:

а дисперсія - відхилення експериментальних результатів

Для оцінювання достовірності експерименту перевірено відтворюваність результатів у певних межах вимірів із заданою надійною ймовірністю за допомогою критерію Кохрена.

Третій розділ присвячено експериментальним дослідженням. Визначено експериментальну можливість імпульсного розпорошування біосорбенту, що являє собою легкозаймисте, швидкозгораюче пористе вугілля, на поверхні пор якого посаджено бактерії, за традиційного спорядження ствола для імпульсного, порохового розпорошування малощільного, легкозаймистого біосорбенту (МЛБС). З одного ствола розпилювали 1,5кг МЛБС, оскільки МЛБС має малу питому вагу - 0,1 г/ см3. Величина розпилювального заряду становила 50г, 75г, 100г. Аналіз результатів експериментів засвідчив, що пряма дія хвилі порохових газів спалювала від 50 до 80 % маси гранул біосорбенту. Необгорілі гранули адсорбували не більше як 20 % нафти і переробляли на інертний залишок не більше як 5-10 % площі нафтової плівки. Гранули, що залишилися цілими, нерівномірно розподілялися по площі розпилення і реально могли лише створювати окремі, локальні - не більше як 0,5 м2. - ділянки, очищені від нафтової плівки. Надалі не більше ніж через 5 хв ці невеликі ділянки затягувалися нафтовою плівкою із сусідніх ділянок.

Застосовано і випробувано нове спорядження ствола, що дає змогу отримати значно охолоджену метальну газову хвилю, але з досить потужною розпилювальною дією. Цього досягнуто тим, що сектор каналу ствола між зарядом і речовиною було перекрито водонаповненим пижом. Визначено оптимальну масу води в пижу, виходячи із суперечливих вимог досягнення далекого розпорошування і захисту гранул від термічної дії, та обґрунтовано оптимальну схему спорядження ствола.

Оптимальну величину розпорошувального заряду підібрано в результаті серії пострілів із ствола. Величини далекості і площі розпорошування, а також якість локалізації та нейтралізації плівки розливу нафти визначено візуально і за матеріалами відеознімання. На рис. 2, 3 показано отримані графічні залежності величин основних параметрів розпорошування і функціональної дії - далекості і площі від величини розпорошувального заряду. Аналіз даних залежностей дав змогу встановити, що гранична далекість розпорошування з одного ствола не перевищує 15 м і її неможливо збільшити, просто збільшивши масу заряду m або початкову (дульну) швидкість розпилювання V0. На першій стадії площа розпорошування збільшується зі збільшенням V0.

Рис. 2. Залежність далекості руху газодисперсного конгломерату L і площі його ефективної дії S від величини розпорошувального заряду m

Рис. 3. Залежність далекості руху газодисперсного конгломерату L і площі його ефективної дії S від величини початкової швидкості розпорошування V

Далекості руху фронту потоку: розрахункова , експериментальна вниз.

Площа ефективної дії: суцільна - о , фрагменти - х.

Проте після деякого значення величини V0, що забезпечує максимальне значення далекості розпорошування Lр, ця далекість розпочинає знижуватися з подальшим збільшенням V0. При цьому все більш зростає різниця між площею фрагментного розпорошування Sфp, що забезпечує лише малоефективну фрагментну локалізацію і нейтралізацію нафтової плівки Sеф, яка дедалі збільшується уповільненим темпом, та площею суцільного розпорошування Sср, що прогресивно зменшується,-. відповідно, площею ефективної суцільної дії, що локалізує і дезактивує нафтову плівку. При цьому умовою ефективної дії є рівномірний розподіл біосорбенту по поверхні нафтової плівки з питомою витратою в діапазоні величин від 15 до 25 г/м2.

Вдалося однозначно визначити оптимальні діапазони V0, m для розпорошуваної маси М біосорбенту. Ці діапазони забезпечують далеке і великомасштабне розпорошування з одного ствола маси біосорбенту в 1,5 кг і рівномірний розподіл біосорбенту на значній площі до 35 м2, у діапазоні питомих витрат від 15 до 25 г/ м2. Тому цей режим розпорошування можна класифікувати як ефективний і оптимальний. Уважний огляд зони нафтового розливу, покритої рівномірним шаром розпорошеного біосорбенту, засвідчив, що велика частина (до 80-90 %) гранул біосорбенту ефективно вбирає і переробляє нафтову плівку в межах тимчасового відрізання до 2 годин, як і в разі ручного розпилювання біосорбенту. При цьому втрати біосорбенту в межах 10-20 % від початкової розпилюваної маси у 20 разів менші, ніж втрати за традиційного розподілу біосорбенту на площі 35 м2.

Досліджено залпове розпорошення. Визначено вплив розставлення і кількості стволів у залпі на масштаб, ефективність і швидкість розпорошення біосорбенту по нафтовій плівці. Встановлено, що оптимальні схеми розставляння стволів у залпі з цієї установки такі: сусідні в одному ряду через ствол і сусідні стволи в різних рядах, розміщені навскоси. Оптимальну кількість стволів у залпі вибрано в діапазоні від 2 до 10.

Аналіз результатів засвідчив головну перевагу залпового розпорошення - оптимальна взаємодія стволів підвищує масштаби їх дії набагато більше, ніж арифметична сума площ їх індивідуальних дій. Підвищено далекість функціональної дії ГДВФ до 53м (це у 4,5 разу більше порівняно з пострілом-розпилюванням із одного ствола) і величину площі рівномірного розпилювання біосорбенту до 450м2 (в 11 разів) при залпі із п'яти стволів, розміщених у шаховому порядку. Встановлено оптимальну кількість стволів у залпі з багатоствольної установки цієї конструкції - від 4 до 6, яка дає змогу забезпечити максимальну площу рівномірного накриття біосорбентом за середніх питомих витрат біосорбенту у вищезгаданому діапазоні їх мінімальних значень. Візуальний, регулярний з інтервалом через 10 хв огляд розливу нафтопродукту, покритого гранулами біосорбенту, протягом трьох годин після розпорошування, дав змогу зафіксувати ефективну роботу більше як 90 % розпорошеної маси біосорбенту.

На підставі здобутих високих функціональних показників можна впевнено пропонувати імпульсний метод і установку розпорошування біосорбентів для практичного використання на кораблях, наприклад швидкісних аварійно-рятувальних великих катерах або маневрених портових буксирах. Дуже важливо для практики, що досягнута далекість ефективного розпорошування дає змогу кораблям «розстрілювати» розливи нафти і нафтопродуктів, не входячи в зону розливу, тому що після проходження плавзасобу по нафтовій плівці вкрай важко зібрати нафту.

Рис. 4. Залежність далекості розпилювання L і його площі S від кількості стволів, що беруть участь у залпі

Досягнута ефективність розпорошування дає змогу невеликій кількості кораблів (2-4 на акваторію порту і прилеглу територію узбережжя) надійно і за малий час ліквідовувати нафтові розливи широкого діапазону масштабів. У МНС України заплановано виділення фінансування для проектування і виготовлення дослідно-промислової партії корабельних багатоствольних модулів та оснащення ними п'яти аварійно-рятувальних кораблів, а також супутньої закупівлі 5000 комплектів розпорошу вальних патронів і контейнерів з біосорбентом.

Розроблений метод і установка імпульсного розпорошування виявилися високоефективними для розпорошування значних мас малощільного легкозаймистого гранульованого біосорбенту. Установка може слугувати прототипом для проектування дослідно-промислового зразка корабельного багатоствольного модуля, виготовлення партії в п'ять модулів і їх монтажу на аварійно-рятувальних кораблях МНС України. Визначено оптимальні режими розпорошування і методику прицілювання. Здобуті дані дають змогу розробити ефективні спеціальні розпорошувальні боєприпаси і виготовити дослідно-промислову партію. Розроблено технічне завдання (ТЗ) до проектування багатоствольного модуля для невеликого маневреного корабля або катера рятувальної служби МНС України або портового буксира.

У четвертому розділі описано експериментальні дослідження срямованого імпульсного розпилення води і подальших дій срямованого газоводяного вихору (ГВВ) відразу на значну площу поверхні.

Встановлено, що практично за масових співвідношень води і біосорбенту 1:1 площа розпилення однакова. Виходячи з цього прийнято рішення для спрощення та здешевлення експериментів розпиляти тільки воду. Визначено оптимальний режим імпульсного розпилення води , при цьому масу розпилювального заряду змінювали в діапазоні від 50 до 250 г пластичної вибухової речовини ПВВ-5А. Визначено оптимальний діапазон мас розпилювальних зарядів по відрізку кривої отриманої залежності, на якому спостережено найстійкіше зростання величини площі ефективного щодо гасіння полум'я розпилення (рис .6). Саме в цьому діапазоні доцільно вибирати розпилювану масу, , конструювати ствол, патрон з розпилювальним зарядом та герметичний контейнер з біосорбентом.

Для розпилювання води зверху, за допомогою серії послідовних розпилювань за один виліт, на значну площу поширення нафти розроблено підвісну вертолітну багатоствольну установку вертикального розпилення і відповідно патрони та контейнери для неї. Установку сконструйовано безвідкатною з контейнерами, що розриваються поза стволами. Цю схему вибрано, оскільки вона найбільшою мірою убезпечує вертоліт і його екіпаж. Розпилювальний заряд можна виконати із низькоімпульсної, малощільної вибухової речовини, наприклад листового амоніту НИЛ-10, або іншої зі швидкістю детонації від 2000 до 4500 м/с .

Визначено залежність площі ефективної дії від відстані між стволами за залпової ініціації чотирьох стволів, кожен з яких містив один літр води, над площею з рівномірно розміщеними модельними вогнищами дерева (рис. 6). Встановлено оптимальні відстані між стволами, що набагато перевищують діаметр ефективної дії за розпилювання з окремого ствола. Показано, що загальна площа розпилення зростає доти, доки між сусідніми газоводяними вихрами зберігається ефективна взаємодія. Для практики дуже важливо мати відпрацьовані схеми залпової дії з різною кількістю стволів і їх взаємною розстановкою для створення площ розпилення різної величини і конфігурації, за умови, що середня питома витрата води перевищуватиме мінімальну на 20 -30 %.

Виконано пошук оптимальних схем взаємного розміщення і кількості стволів, що беруть участь у залпі. За результатами аналізу експериментів (рис. 7) оптимальна і найбільш зручна для практики квадратно-гніздова схема взаємного розставлення стволів, що беруть участь у залпі ГВВ. Ця схема забезпечує стабільну та ефективну розпилювальну дію, що повторюється від разу до разу. За її використання найзручніше, ефективно і швидко можливо розпилювати воду рівномірно по площах.

Рис. 5. Залежність площі ефективної дії S у разі пострілу з одного ствола від величини розпилювального заряду

Рис. 6 Залежність площі ефективної дії S у разі пострілу з одного ствола від маси розпилюваної речовини

Визначено оптимальну висоту, на якій доцільне спрацьовування розпилювальних зарядів у контейнерах місткістю 100 л. Аналіз результатів виявив, що оптимальною є висота в діапазоні від 8 до 12 м. За висоти розпи-лювання менш як 8 м фронт потоку не встигає розширитися до розміру оптимальної площі суцільної дії. Тому в цьому діапазоні висот їх величина прямо пропорційна площі ефективної дії. За висоти більш як 12 м дія шквалу втрачає щільність і зникає ефект суцільного розпилення.

Рис. 7. Залежність площі розпилень від кількості стволів у залпі

Розроблену експериментальну багатоствольну невідкотну установку можна підвішувати над ціллю за допомогою гелікоптера. Результати випробувань цієї установки переконливо продемонстрували її високу ефективність у процесі розпилювання води на значні площі. Тому вдосконалений зразок може успішно слугувати прототипом для проектування промислової установки. Досліджено динаміку і функціональну ефективність створюваних у процесі імпульсного розпилення конусоподібних ГВВ з широким фронтом. На базі цих даних можливо проектувати розпилювальні заряди і контейнери для води та захисних рідин, а також складати методики практичного застосування.

За результатами виконаних досліджень складено та передано ескізні проекти, на основі яких розроблено обладнання (установку та спеціальні боєприпаси) імпульсного розпилення гранульованих, малощільних, нетермостійких адсорбентів та води, вироблено як пілотну партію міні-розпилювачів та випробувано у Щвейцарії фірмою «Рyromex». На замовлення МНС України концерн «Укрпожсервіс» на базі здобутих результатів проводить дослідно-конструкторську роботу для створення універсального розпилювального модуля для корабля, автомобіля, причепа та гелікоптера.

Очікуваний економічний ефект від упровадження новітньої технології оцінено за витратами 0,3471єевро на знищення 1м2 розливу нафти. Сучасна технологія локалізації і збирання нафти з поверхні моря коштує більш як 40 євро/, збір нафти з 1 пляжу коштує більше як 100 євро, з каменів -до 400 євро.

Висновки

У дисертаційній роботі виконано аналіз літературних джерел на теміу дисертації, теоретично обґрунтовано і експериментально досліджено нову технологію та установку для ліквідації розливів нафти на воді і для ліквідації інших шкідливих впливів на довкілля.

1. Вивчено технологічні процеси та обладнання локалізації ї ліквідації розливів нафти в акваторії, що полягають у розпорошуванні гранульованих адсорбентів та біосорбентів по нафтовій плівці з кораблів. Показано, що їх основна вада - низькі показники сучасного обладнання щодо далекості, масштабів і рівномірності розпилювання адсорбентів, що не може забезпечити швидкої та ефективної ліквідації розливів нафти.

2. Обґрунтовано технологічний процес імпульсного розпилення біосорбентів за допомогою охолодженої хвилі газів пороху або вибухівки - водну суспензію біосорбентів розпорошують горизонтально у вигляді плоского вихору, що ковзає по нафтовій плівці, або розпорошують вертикально, і вона конусоподібно зверху покриває нафтову плівку. Розроблено обладнання - багатоствольну розпорошувальну установку, що використовує порохові або вибухові заряди для далекого, масштабного, рівномірного розпорошування водної суспензії біосорбентів на нафтову плівку на акваторії.

3. Експериментально досліджено горизонтальне розпорошування водної суспензії біосорбентів по нафтовій плівці на поверхні води і вертикальне напилювання води по горизонтальній площі. Експериментально отримано нові залежності далекості і площі розпорошування біосорбенту, а також ефективної дії від величин маси біосорбенту у воді, розпорошувального заряду та кількості стволів у залповому розпорошуванні. Отримані далекість до 55 м і площа ефективного розпорошування біосорбентів від 200 до 450 м2 більш ніж у 10 разів перевищують параметри сучасного устаткування, що розпорошує біосорбенти.

4. Підготовлено початкові дані - біосорбенту в одному стволі - 1,5 кг, маса порохового розпорошувального заряду - 0,1 кг пороху, кількість стволів у залпі від 4 до 6; маса води в одному стволі від 80 до 100 кг, маса розпорошувального заряду вибухівки - від 0,14 до 0,16, кількість стволів у залпі від 2 до 4 - для розроблення технічних завдань до проектування дослідно-промислових зразків установок імпульсного розпилення: корабельної та підвісної гелікоптерної.

Література

1. Щербак М. В. Новые технологии локализации розливов нефти в море / М. В. Щербак, В. Д. Захматов // Пожаровзрывобезопасность. -М., 2010. - Т. 19, № 6. - С. 56 - 63.

2. Щербак Н.В. Новая техника для реализации современных, информационных технологий при ликвидации последствий экологических катастроф / М. В. Щербак, В. Д. Захматов // Пожаровзрывобезопасность. - М., 2010. - Т. 19, № 9. - С. 42 - 46

3. Щербак М. В. Оснащення військових частин імпульсною технікою для ліквідації наслідків екологічних катастроф / М. В. Щербак // Екологія і ресурси. - К., 2008. - Вип. 19. - С.73 -79.

4. Щербак М. В. Безпека військовослужбовців, що беруть участь в ліквідації наслідків аварій, катастроф, диверсій, терористичних актів на суші і на морі / М. В. Щербак, В.В. Гайдей, С.А. Ковальов // Збірник наукових праць. - Севастополь. - 2007. - № 2(12). - -. 255.

5. Щербак М. В. Імпульсна, вихрова, несмертельна зброя як гуманний засіб у боротьбі з тероризмом / М. В. Щербак, В. Д. Захматов // Проблеми безпеки особистості, суспільства та держави. - К., - 2007. - № 7. - С.118 - 126.

6. Щербак М. В. Сучасні, перспективні методи гасіння лісових пожеж / М. В. Щербак, В. Д. Захматов // Пожежна безпека-2007 : зб. допов. конф. / Академія пожежної безпеки ім. Героїв Чорнобиля. - Черкаси, 2007. - С. 356 - 358.

7. Щербак М. В. Нова імпульсна техніка для багатопланового захисту / М. В. Щербак // Пожежна безпека-2007 : зб. допов. конф. / Академія пожежної безпеки ім. Героїв Чорнобиля. - Черкаси, 2007. -С. 358 - 360.

Размещено на Allbest.ru