Применение систем оборотного водоснабжения на специализированных участках ремонтно-эксплуатационных баз флота

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени

Применение систем оборотного водоснабжения на специализированных участках ремонтно-эксплуатационных баз флота

03.00.16 - Экология (технические науки)

кандидата технических наук

Михеева Татьяна Александровна

Нижний Новгород, 2009 г.

Работа выполнена в ФГОУ ВПО «Волжская государственная академия водного транспорта»

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент Бурмистров Евгений Геннадьевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, доцент Наумов Виктор Степанович

кандидат технических наук, доцент Васильев Сергей Александрович

Ведущая организация: ФГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный университет водных коммуникаций»

Защита состоится «30» сентября 2009 г. в «13⁰⁰» часов на заседании диссертационного совета Д 223.001.01 при ФГОУ ВПО «Волжская государственная академия водного транспорта» по адресу: 603950, г. Нижний Новгород, ул. Нестерова, д. 5а, ауд. 231.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «ВГАВТ».

Автореферат разослан « » 2009 г.

Учёный секретарь диссертационного совета Д 223.001.01 доктор технических наук, профессор А.Н. Ситнов

Общая характеристика диссертации

Актуальность работы. Загрязнения окружающей среды (ОС) от стационарных источников водного транспорта - специализированных участков портов, судоремонтных заводов (СРЗ), ремонтно-эксплуатационных баз (РЭБ) и баз технического обслуживания флота (БТОФ) (далее по тексту РЭБ флота) - являются причиной нарушения сложившихся экосистем в районах расположения этих предприятий.

В существующей практике судоремонта большое количество работ, связанных с восстановлением и поддержанием эксплуатационной готовности флота, характеризуется значительным водопотреблением. Несовершенство применяемых систем водоснабжения береговой инфраструктуры водного транспорта, как правило, приводит к загрязнению прилегающих акваторий. С учётом этого, а так же учитывая значительность объёмов судоремонта, необходимо принимать адекватные меры для снижения антропогенного воздействия от стационарных источников транспорта на ОС.

Восстановление эксплуатационной готовности судов, как правило, связано с заменой части судовых конструкций. Изготовление заменяемых элементов осуществляют с использованием термической резки. Наиболее перспективна плазменная резка. Однако она характеризуется высокой экологической опасностью. В ОС при её применении поступают высокотоксичные соединения NO_x, Cr_xO_y, Mn_xO_y и др., многие из которых обладают канцерогенным действием и негативно воздействуют на живую природу.

Для повышения экологической безопасности плазменной резки в настоящее время применяют водонаполненные раскройные столы (ВРС - система «Water-Table»). ВРС в зависимости от принятой технологии резки позволяют нейтрализовать до 98,5 % вредных веществ. Однако эксплуатация таких систем требует принудительного проточного водоснабжения ВРС, либо регулярной замены воды в них. Периодичность замены может достигать (5…6) раз/мес., а объём разовой замены 5,0 м³/1 ВРС. Заменяемая техническая вода сбрасывается либо в городскую или ливневую канализацию, либо непосредственно в акваторию. В обоих случаях это осложняет экологическую ситуацию в районах расположения предприятия и требует значительных затрат на водопользование и стабилизацию ОС.

Решению проблем снижения антропогенной нагрузки на ОС от специализированных участков РЭБ флота посвящены работы Ю. С. Корюкаева, Л. Н. Григорьева, В. С. Наумова, Ю. И. Норкина, М. И. Пашковой, Е. Г. Бурмистров, В. Л. Этина, И. Г. Ширшова, В. Н. Котикова, А. С. Курникова, Couch R. W., Bongs S., Burke M. N., Press Р. и др.

Несмотря на большой объём выполненных исследований, к настоящему времени вопросы снижения антропогенной нагрузки на ОС от специализированных участков РЭБ флота продолжают оставаться актуальными. Эффективное их решение сдерживается отсутствием комплексных исследований в области оборотного водоснабжения раскройных столов машин термической резки (МТР), в том числе, применения активированных окислительных технологий (АОТ) очистки технической воды.

Тема диссертации непосредственно связана с программами научных исследований автора в рамках Гранта, полученного по программе «Участник молодёжного научно-инновационного конкурса (У.М.Н.И.К.) «Новые технологии водного транспорта» (апрель 2007 г.) и выполнялась в соответствии с планами НИР и ОКР ФГОУ ВПО «ВГАВТ».

Целью работы является научное обоснование метода снижения антропогенной нагрузки на ОС от специализированных участков механизированной термической резки РЭБ флота на основе оборотного водоснабжения раскройных столов МТР.

Для достижения данной цели необходимо решить следующие задачи:

1. На основе анализа применения на предприятиях РЭБ флота плазменной резки на ВРС определить перспективные направления совершенствования экологической безопасности данной технологии.

2. Математически описать процессы образования и распространения вредных веществ в поддоне ВРС.

3. Разработать принципиальную схему оборотного водоснабжения раскройных столов МТР. плазменный резка вредный вещество

4. Обосновать возможность использования АОТ для комплексной очистки технической воды в системе «Water-Table».

5. Разработать математическое описание работы системы комплексной очистки технической воды (СОТВ) и отдельных её элементов с использованием АОТ очистки технической воды.

6. Оценить возможность использования водяной завесы вокруг плазменной режущей дуги для локализации образующихся газовых выбросов. Обосновать целесообразную форму и размеры сечения такой завесы.

7. Определить эмпирические коэффициенты в уравнениях регрессии математического описания и экспериментально оценить адекватность основных положений разработанных математических моделей.

8. Выполнить экспериментальные исследования процессов очистки воды и оценить гидравлическое сопротивление узлов и систем СОТВ;

9. Разработать методику проектирования СОТВ для ВРС МТР;

10. Установить степень снижения антропогенной нагрузки на ОС в результате внедрения на специализированных участках РЭБ флота систем оборотного водоснабжения раскройных столов МТР.

Научная новизна работы:

1. Впервые научно обоснована возможность применения оборотного водоснабжения раскройных столов МТР с комплексной очисткой технической воды на основе АОТ, что подтверждено 2-я патентами РФ.

2. Исследованы процессы и явления, связанные с образованием и распространением вредных веществ в объёме технической воды ВРС.

3. Получено математическое описание процесса очистки технической воды в СОТВ на основе АОТ и определены все неизвестные коэффициенты в уравнениях регрессии математической модели.

4. Обоснованы форма и размеры водяной завесы вокруг режущей плазменной дуги МТР для локализации газовых выбросов, что способствует интенсификации процесса резки при одновременном снижении антропогенной нагрузки на ОС.

Практическая ценность работы заключается в создании методики проектирования систем оборотного водоснабжения ВРС машин плазменной резки и в снижении антропогенного воздействия от специализированных участков РЭБ флота на ОС.

Использование результатов работы позволяет:

? обосновать возможность оборотного водоснабжения ВРС МТР в целях снижения нагрузки на станции нейтрализации и минимизации или полного предотвращения сброса технической воды в гидросферу;

? проектировать системы оборотного водоснабжения ВРС МТР;

? совершенствовать технологии плазменной резки в направлении повышения их экологической безопасности.

Достоверность научных положений обеспечена применением современных методов теоретических и экспериментальных исследований, совокупностью данных лабораторных и натурных экспериментов и сопоставимостью аналитических и экспериментальных результатов. Основные аналитические зависимости получены путём применения методов математического анализа, теории планирования эксперимента, корреляционно-регрессионного анализа, математического моделирования динамических процессов. Обработка результатов осуществлялась с помощью методов математической статистики.

Апробация работы. Результаты исследований опубликованы в периодических изданиях, рекомендованных ВАК РФ, в том числе в научно-практических журналах «Экология и промышленность России» (№11, 2007г.) и «Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока» (№2, 2008 г.), докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ВГАВТ (2006 - 2009 гг.), VI - IX-ом Международном конгрессе «Великие Реки» (2006 - 2009 гг.), Всероссийской научно-технической конференции «Новые технологии водного транспорта» (г. Нижний Новгород, апрель, 2007 г.), межвузовской НПК «Проблемы экономики современной России» (г. Н. Новгород, апрель 2008 г.), XI и XII Международных НПК «Экономика природопользования и природоохраны» (г. Пенза, апрель 2008, май 2009 гг.).

Основные результаты и положения, выносимые на защиту:

? принципиальная схема оборотного водоснабжения ВРС МТР с комплексной очисткой технической воды на основе АОТ;

? математическое описание процессов образования и распространения вредных веществ в технической воде ВРС;

? обоснование формы и размеров водяной завесы вокруг режущей плазменной дуги МТР для локализации газовых выбросов и усовершенствованной конструкции плазмотрона;

? математические модели работы СОТВ и отдельных её элементов;

? методика проектирования систем оборотного водоснабжения ВРС МТР на основе АОТ очистки технической воды.

Личный вклад автора. В диссертации изложены результаты исследований, полученные автором самостоятельно, а так же совместно с Е. Г. Бурмистровым и А. С. Курниковым. При этом автору принадлежат:

? разработка принципиальной схемы и расчёт основных элементов системы оборотного водоснабжения ВРС МТР;

? планирование, организация и проведение экспериментальных исследований, обработка, анализ и обобщение полученных данных, обоснование выявленных закономерностей, разработка математических моделей;

? непосредственное участие в разработке 2 заявок на полезные модели.

Публикации. Список публикаций по материалам диссертации включает 19 научных работ, в том числе 2 статьи в журналах, реферируемых ВАК РФ и 2 патента РФ на полезные модели.

Структура и объём работы: диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, библиографического списка использованной литературы и приложения. Основное содержание работы изложено на 131 стр. машинописного текста и включает 45 схем, фотографий и рисунков, а так же 26 таблиц. Библиографический список включает 122 наименование литературных источников. Приложение содержит акты внедрений и копии патентов на полезные модели.

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследований, указаны научная новизна полученных результатов и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе дана оценка современного состояния и перспектив совершенствования систем оборотного водоснабжения, применяемых на РЭБ флота. Представлен аналитический обзор исследований по данной тематике. Приведена общая характеристика существующих систем оборотного водоснабжения, типов водоснабжения производственных участков, методов очистки технической воды в оборотных системах. Рассмотрены технические и технологические особенности систем оборотного водоснабжения участков механизированной термической резки. Проанализированы применяющиеся для этих целей процессы и аппараты.

На основании статистических данных по выбросам и сбросам рассмотрены основные аспекты антропогенного воздействия процессов термической резки на ОС. С учётом этого выбраны приоритетные направления совершенствования систем оборотного водоснабжения специализированных участков механизированной термической резки.

Во второй главе приведено обоснование метода совершенствования систем оборотного водоснабжения специализированных участков термической резки. Теоретическими предпосылками для этого послужили исследования автора (совместно с доц. Н. Ш. Ляпиной) в области химических реакций в технической воде. В этой связи были рассмотрены химические реакции, протекающие в локальной зоне реза и в общем объёме технической воды. Выполненные исследования позволили выявить закономерности протекания химических реакций между основными компонентами образующегося аэрозоля и твёрдой фазы и технической водой.

Окончательно в ходе исследований установлено, что в водный объём ВРС поступают три основных химических соединения, требующих нейтрализации: H₂SO₄, N₂O₃ и Н₂СО₃. Эти соединения эффективно нейтрализуются гидратом кальция Са(ОН)₂ по следующим реакциям:

Са(ОН)₂+H₂SO₄=2Н₂О+Са SO₄v

Са(ОН)₂+N₂O₃^=Н₂О+Са(NO₂)₂v

Са(ОН)₂+Н₂СО₃^= 2Н₂О+СаСО₃v

Образующиеся в результате этих реакций вещества СаSO₄, Са(NO₂)₂, СаСО₃ выпадают в осадок и легко удаляются известными способами. Кроме указанных веществ в объём воды ВРС выпадают ионы Fe²⁺, Mn²⁺ и других элементов, непрореагировавших с Са(ОН)₂.

ВРС относится к так называемым «открытым системам», к качеству воды в которых СанПиН 2.1.2.568-96 предъявляет жёсткие требования по цветности, наличию взвеси и др. Обеспечение основных положений указанного СанПиН требует, помимо нейтрализации образующихся химических соединений, специальной обработки технической воды. Для этого необходимо определить размеры и конфигурацию температурных зон в районе реза, обосновать минимально необходимый объём воды в поддоне ВРС и производительность (объёмную скорость циркуляции воды) СОТВ в системе оборотного водоснабжения ВРС МТР.

С этой целью на базе лаборатории сварки ФГОУ ВПО «ВГАВТ» был разработан специальный стенд. В качестве образцов для резки были выбраны листы судостроительной стали с толщинами s=5, 10 и 20 мм, что охватывает весь диапазон толщин металла, применяемых при техническом обслуживании и ремонте флота.

Рис. 1. Визуализированные границы температурных зон в технической воде в зоне реза

Эксперимент по исследованию температурных зон состоял из 15 опытов и включал исследования при стандартных и форсированных режимах резки. Для обоснования закономерностей протекания химических реакций в ходе каждого опыта выполнялись замеры размеров температурных полей в объёме технической воды в зоне реза.

Как следует из фото на рис. 1 температурные зоны чётко различимы по цвету. Кроме того, имеет место структурная неоднородность воды в них, выражающаяся в количестве и плотности распределения пузырьков выделяющихся газов и других продуктов резки. Нижняя граница последней температурной зоны визуализируется по наличию большого количества мелких газовых пузырьков, характерных для начала процесса закипания воды. Это позволяет точно установить границу жидкого контура с t?100 °С, с которого происходит всплытие части не растворившихся в воде газов на поверхность ВРС.

Обработка результатов опытов позволила построить графическую зависимость ориентировочных размеров границ жидкого контура от толщины разрезаемого металла (рис. 2).

Рис. 2. Зависимость l=f(s)

Эксперимент показал также, что активное турбулентное перемешивание воды под действием давления режущей дуги имеет место лишь в трёх ближайших к дуге зонах; в четвёртой, в том числе по границе жидкого контура, характер движения воды близок к ламинарному режиму.

Выполненные исследования позволили автору обосновать и построить графическую модель образования и распределения загрязнений в технической воде (рис. 3). Модель предусматривает четыре температурные зоны с различным агрегатным состоянием среды и различными химическими процессами, протекающими в них.

Рис. 3. 3D-модель зоны реза и результирующие процессов образования и распределения загрязнений в воде раскройного стола

Для первой зоны характерна высокая температура среды (?2000 °С), повышенное давление (Р?0,4 МПа), ограниченный объём, отсутствие потерь теплоты и незначительное рассеивание образующихся продуктов резки. Обмен с окружающей водной средой здесь затруднён. Агрегатное состояние среды - насыщенный перегретый водяной пар с содержанием большого количества твёрдых оксидов.

Для второй зоны характерно резкое снижение температуры (до 1000 °С) и давления (до 0,25 МПа) и больший контакт со смежными зонами. Распределение концентраций вредных веществ в основном происходит за счёт диффузионных явлений. В этой зоне происходит образование газовой фазы загрязнений и насыщенного водяного пара.

В третьей зоне происходит дальнейшее значительное снижение температуры и давления среды (до 100 °С и 0,15 МПа соответственно) за счёт увеличения интенсивности её движения и повышения степени обновления. Это приводит к образованию насыщенного водяного пара с содержащимися в нём газообразными продуктами химических реакций.

Четвёртой зоне свойственна температура, близкая к фоновой температуре воды в поддоне ВРС (?20 °С). В этой зоне вода содержит вредные вещества в газообразном и растворённом состояниях. Происходит постоянное перемешивание её за счёт диффузионного взаимодействия с общим объёмом воды поддона при нормальном атмосферном давлении.

Во всех перечисленных зонах происходят химические реакции, нейтрализующие большую часть образующихся вредных веществ. Степень нейтрализации зависит от объёма воды в поддоне раскройного стола МТР.

Модель адекватно описывает распределение температурных полей в технической воде при плазменной резке. Это позволяет использовать её как исходную для разработки математического описания процессов распространения загрязнений в ВРС и при обосновании модели очистки технической воды от загрязнений с целью снижения антропогенной нагрузки на ОС.



Рис. 4. Зависимости размеров зоны рассеяния продуктов резки от толщины разрезаемого металла (s, мм) и скорости резки (v_рез, м/мин)

По результатам исследований установлено, что зона рассеяния вредных веществ в горизонтальной плоскости зависит от толщины металла и скорости резки. Как видно из графиков (рис. 4), зависимости носят линейный характер. Это может быть эффективно использовано для предотвращения поступления в производственную зону всплывающих на поверхность ВРС газов, например, экранированием зоны реза водяной завесой. Завеса в этом случае может быть использована не только для глушения высокочастотного шума, но и для локализации газообразных продуктов резки в зоне реза. С учётом этого автором обоснована рекомендуемая форма сечения водяной завесы (рис. 5, а) и разработана соответствующая конструкция рабочего органа плазмотрона (рис. 5, б).



Рис. 5. Обоснование формы сечения (а) и конструкция плазмотрона (б): 1 - ствол плазмотрона; 2 - токоподвод; 3 - штуцер для подвода воды; 4 - насадка для создания водяной завесы; 5 - щель шириной 0,2 мм; 6 - корпус сопла; 7 - электрод; 8 - сопло; 9 - водяная завеса; 10 - кромки листа; 11 - дуга

На основании изложенного рассмотрены перспективы применения АОТ очистки технической воды в системах оборотного водоснабжения ВРС МТР и обоснован способ снижения антропогенного воздействия процессов термической резки на ОС методом комплексной обработки технической воды с использованием элементов АОТ.

Одним из основных элементов АОТ является озонирование воды с фильтрацией через активированный уголь. Известно, что один из наиболее характерных компонентов газотермического аэрозоля - марганец - быстро окисляется озоном в кислой и нейтральной средах с образованием взвеси МпО₂. Установлено, что при длительном озонировании становится возможной реакция MnO₄^2-(манганат)-e-MnO₄^- (перманганат) или в присутствии воды Mn²⁺+O₃+H₂O>MnO₂+O₂+2H⁺. Показательной так же является реакция перевода двухвалентного железа в трёхвалентное состояние Fe²⁺-e-Fe³⁺, в присутствии воды 2Fe²⁺+O₃+3H₂O>2Fe(OH)₃, а Fe(OH)₃ легко отфильтровывается большинством известных фильтрующих материалов. Остаточные компоненты газовой фазы NO, NO₂ также легко нейтрализуются озоном по реакциям NO+3О₃>NO₃+7О и NO₂+О₃>NO₃+О₂, доводя параметры воды до требований к «открытым системам».

Функциональная схема оборотного водоснабжения ВРС с использованием элементов АОТ приведена на рис. 6.

Рис. 6. Функциональная схема оборотного водоснабжения ВРС: 1 - подвод чистой воды из водопровода; 2, 10 - клапаны; 3 - подвод воды в плазматрон; 4 - корпус поддона; 5 - подвод воды к насадке; 6 - кожух насадки; 7 - водяной экран; 8 - водяной стол; 9 - разрезаемый лист металла; 11 - отвод загрязнённой воды из поддона; 12 - узел предварительной фильтрации; 13 - насос циркуляционный; 14 - узел нейтрализации вредных веществ катализатором; 15 - теплообменный аппарат; 16 - узел озонирования; 17 - узел финишной фильтрации

Как следует из представленной схемы, основными её узлами являются: узел нейтрализации вредных веществ (кислот H₂SO₄, N₂O₃ и Н₂СО₃,) 14; узел озонирования 16 и узел финишной фильтрации 17.

Предлагаемая последовательность ступеней очистки воды обоснована тем, что процессы нейтрализации загрязняющих веществ эффективнее протекают при повышенной температуре воды (условие удовлетворяется, так как в процессе термической резки температура технической воды в поддоне ВРС достигает требуемых 45 - 55 °С), в то время как для повышения эффективности процессов озонирования требуется понижение температуры воды до 18 - 20 °С. С этой целью в схему непосредственно перед узлом 16 включен теплообменный (холодильный) аппарат 15.

В третьей главе приведены разработанные автором теоретические основы снижения антропогенного воздействия процессов механизированной плазменной резки на ОС. В результате разработана математическая модель процесса переноса загрязнений в системе «Water Table». Исследовано влияние циркуляции воды, турбулентной диффузии и граничных условий на распространение загрязняющих веществ и их концентрацию. Выяснено влияние случайных производственных факторов и изменений параметров среды на образование и распространение загрязнений. Выполнена экспериментальная проверка адекватности разработанных математических моделей, которая показала высокую сходимость расчётных и эмпирических данных (погрешность не более 5%).

Теоретическими предпосылками для создания математической модели послужили исследования автора в области изучения процессов и явлений, протекающих в технической воде непосредственно в зоне реза и на периферийных участках поддона раскройного стола.

Установлено, что распространение загрязнений в технической воде при постоянной её циркуляции и с учётом выделения тепла в зоне реза приводит к неоднородной структуре воды в ВРС, а поведение загрязняющих веществ в воде зависит от многих факторов: химических (распада, соединения с другими веществами, выпадения в осадок); физических (перехода в другое агрегатное состояние, адсорбции, коагуляции); термо- и гидродинамических (перенос и рассеяние).

Изменение концентрации загрязняющих веществ в общем случае можно представить в виде трёхмерного уравнения турбулентной диффузии, учитывающего физико-химическое взаимодействие загрязняющих веществ с технической водой и наличие источника загрязнений:

(1)

где С - концентрация загрязняющих веществ; и, v, w - составляющие скорости циркуляции воды по декартовым осям х, у, z соответственно; w_С - собственная гравитационная вертикальная скорость загрязняющих веществ; ф₀ - постоянная химического разложения загрязняющих веществ; К_С, К_СL - вертикальный и горизонтальный коэффициенты турбулентной диффузии, м²/с; д - дельта-функция Дирака; Q - мощность источника загрязнения, кВт; х^*, у^*, z^* - координаты положения источника загрязнения в трёхмерном пространстве, м.

Граничные условия состоят в том, что на всех поверхностях, ограничивающих рассматриваемую область ВРС, необходимо знать либо поток загрязнений (диффузионный и адвективный), либо их концентрации. В самом общем виде они выглядят следующим образом:

(2)

где a и b - задаваемые коэффициенты, принимающие значения либо 0, либо 1; в_i - параметры взаимодействия загрязнений с водой (зависят от скорости циркуляции и объёма технической воды в поддоне ВРС; Q_i - известное количество загрязняющих веществ, поступающих в единицу времени, мг/м³; - нормальная составляющая турбулентного потока загрязняющих веществ через боковой (жидкий) контур.

С учётом свойств консервативности и динамической пассивности загрязнений основное уравнение диффузии (1) имеет вид:

(3)

Данное уравнение учитывает вертикальную циркуляцию воды и турбулентную диффузию в зоне реза. Его решение при граничных условиях (2) можно найти численно - методом расщепления. Таким образом, с использованием изложенных моделей автором определена структура циркуляции воды для различных схем резки, разных режимов циркуляции воды и различного положения плазмотрона относительно стенок поддона.

Решение задачи методом сеток позволило установить также, что на распространение газообразных загрязнений в воде существенное влияние оказывает их поглощение водой. В случае полного поглощения их распространение и рассеяние происходит быстро. При частичном поглощении этот процесс происходит медленнее, но площадь загрязнения оказывается больше.

С учётом изложенного, а так же в предположении, что между параметрами u, v и w в формуле (1), параметром в_i в формуле (2), скоростью циркуляции воды в поддоне ВРС (W₀, м/с) и объёмом ВРС (V_ВРС, м³) имеется функциональная зависимость G_ж^СОТВ=f(u; v; w; в_i; V_ВРС; W₀), может быть определена производительность СОТВ по воде:

(4)

где G_ж^ЦВ - массовый расход воды на разовое заполнение системы, кг/с; G_ж^КВ - компенсация убыли воды в системе, кг/с; G_ж^СОхл - расход воды в системе охлаждения плазмотрона и в теплообменном аппарате, кг/с.

Разработанные модели позволяют обосновать необходимый объём воды в поддоне ВРС, скорость циркуляции её и производительность СОТВ для любого режима резки, определить точки забора загрязнённой воды для отвода в систему очистки, а также точки её возврата в поддон. Наличие математических моделей делает возможным дальнейшее научно обоснованное совершенствование технологий плазменной резки в направлении снижения антропогенного воздействия на ОС. Кроме того, модели позволяют точно определять и моделировать процессы комплексной обработки технической воды и нейтрализации образующихся вредных веществ.

В четвёртой главе приведено математическое описание процессов комплексной очистки технической воды в системе оборотного водоснабжения ВРС МТР и результаты соответствующих экспериментальных исследований автора. Теоретическими предпосылками для исследований послужили работы А. С. Курникова и В. Л. Этина.

В состав СОТВ, в соответствии со стадиями её обработки входят три основных реактора - нейтрализатор, озонатор и контактный фильтр со слоем абсорбента (ГАУ). Поскольку качество технической воды и технологические параметры самой СОТВ могут изменяться во времени, то уравнения материального баланса для основных реакторов, в которых производится очистка воды, будут иметь вид:

(5)

(6)

(7)

где z_о, z_н, z_оз, z_a6 - показатели качества исходной, нейтрализованной, озонированной воды и воды после абсорбции; L_ж - объёмная скорость рабочей среды (воды), м³/с; V_н, V_ке, V_заг - объёмы соответствующих реакторов, м³; д_н, д_оз, д_аб - степени очистки воды после нейтрализации, озонирования и абсорбции.

Теоретический расход реагента Са(ОН)₂ на нейтрализацию подкисленной воды и осаждение гидроокиси металлов, г/л, можно рассчитать на основании уравнений реакции нейтрализации или по формулам вида:



где С, С_к - концентрация кислоты или ионов металла в растворе, г/л; Щ - эквивалентная масса используемого щелочного реагента, г/г-экв.; К - эквивалентная масса кислоты или иона металла, г/г-экв.

На практике дозу реагента для нейтрализации технической воды целесообразно принимать на 10 % больше теоретической, а с учётом выпадения в осадок солей и гидроксидов тяжёлых металлов, дозу реагента можно определить по формуле:

(8)

где b_i - расход реагента на осаждение металлов, кг/кг; С_Ме - концентрация металлов в сточных водах, кг/м³; k_з - коэффициент запаса расхода реагента (для известкого молока k_з=1,1, для известкового теста и сухой извести k_з=1,5); G_сут - расход сточных вод, м³/сут; а - теоретический расход реагента, кг/кг; С_к,щ - концентрация кислоты в воде, кг/м³.

Объём бака-нейтрализатора V_б, м³, исходя из рекомендуемой продолжительности контакта воды и реагента (не менее 300 с), можно определить по выражению:

(9)

где N - количество баков; n - число заготовок известкового молока в сутки; С_Са=5% - концентрация известкового молока по активному СаО.

Часовой расход известкового раствора можно рассчитать по формуле:

(10)

где Т - продолжительность работы узла нейтрализации в течение суток, ч/сут.

Суммарный расход нейтрализуемой воды и известкового раствора q_из можно определить из выражения:

(11)

Для условий водоочистки с использованием процесса озонирования наиболее приемлема модель, предложенная В. Л. Этиным.

Используя эту модель можно определить степень очистки д_оз.

; ; (12)

Величина дозы озона, поступающего из озонатора, равна:

(13)

Производительность озонатора вычисляется по уравнению:

(14)

где С₁ - концентрация озона, поступающего из озонатора, г/м³; L₁ - объёмный расход озоно-водяной смеси в СОТВ, м³/с.

Для определения концентрации озона С_оз, г/м³, использовалось уравнение баланса масс, полученное С. А. Васильевым:

(15)

где С_а - стационарная концентрация озона, г/м³; k₁ - сумма констант скоростей синтеза и депозиции озона, отнесённой к единице удельной мощности разряда, м³/(Вт?с); N - активная мощность разряда, Вт.

Полное термическое сопротивление R зависит от конструкции генератора озона и вычисляется тепловым расчётом.

Неизвестные величины степени очистки д_н и д_аб определяются экспериментальным путём.

Характеристики насосов, входящих в состав СОТВ, могут быть получены из известных уравнений энергетического баланса, так как этим определяется основная характеристика эжектора - давление всасывания р_н, - которую можно рассчитать по уравнению Соколова-Зингера:

(16)

где L_г - объёмная скорость эжектируемого газа, м³/с; р_с - давление сжатия рабочей среды, кПа; р_р - давление рабочей среды перед эжектором, кПа.

Математическая модель работы узла финишной фильтрации с сорбцией загрязнений разработана автором совместно с А. С. Курниковым. Общий объём контакта озона с водой может быть определён по формуле:

(17)

где 1/3 - минимальная часть свободного от загрузки объема фильтра, предназначенная для расширения загрузки при её регенерации; Н_Ф - высота контактного фильтра, м; D_кф - диаметр корпуса фильтра, м; D_кк - диаметр контактной колонны, м.

Общий диаметр контактного фильтра, D_кф определится по формуле:

(18)

где щ_ф - скорость фильтрования, м/с.

Для расчёта теплообменного аппарата могут использоваться известные из термодинамики формулы. В частности основная его характеристика - холодопроизводительность (кДж/с или кВт) - может быть определена из выражения:

(19)

где m - массовый расход хладагента, кг/с; q₀ - удельная холодопроизводительность, кДж/кг .

Таким образом, разработанная автором математическая модель работы СОТВ с использованием АОТ характеризуется уравнениями материального, энергетического и теплового балансов (5) - (8), (12) - (19). Полученные зависимости позволяют установить связь между начальными и конечными параметрами очищаемой в СОТВ воды. Однако они требуют экспериментального определения ряда коэффициентов и величин.

Для проведения экспериментальных исследований автором был разработан специальный стенд (рис. 7). Основу стенда составила станция очистки воды, в которой используются элементы АОТ: озонирование, фильтрация и сорбция на ГАУ. Стенд являлся универсальным, так как позволял проводить исследования не только системы в целом, но и работы отдельных её элементов. Основные технические параметры стенда находились в следующих пределах: производительность по воде - (1,7… 2,8)?10^-3 м³/с; время контакта озона с водой - 720 с; производительность озонатора - (0…60) г/ч; температура модельной воды - (278…296) °К.



Рис. 7 - Принципиальная схема экспериментального стенда: 1 - ёмкость с модельной водой; 2(1) - фильтр сетчатый; 2(2) - фильтр песчаный; 3 - расходомер; 4 - термометр; 5 - насос; 6 - ёмкость для вещества-нейтрализатора; 7 - насос-дозатор; 8 - нейтрализатор; 9 - теплообменный аппарат (холодильник); 10 - озонатор; 11 - эжектор; 12 - фильтр контактный; 13 - деструктор озона; 14 - датчик-измеритель окислительно-восстановительного потенциала воды; 15 - кран пробоотборный

Дробно-факторным экспериментом были определены коэффициенты b_i и d_i, а так же С₀ и k₀, определяющие значения С_а и k₁ в уравнении (15) и характеризующие работу генератора озона. По результатам эксперимента значения этих коэффициентов составили: С₀=32,2 и k₀=7,55?10^-7.

В ходе первого эксперимента уточнялись эмпирические коэффициенты b_i и d_i в уравнениях регрессии (12) с учётом высокого давления в системе и нормированного времени контакта озона с водой, для чего был поставлен факторный эксперимент типа 2² на модельной воде. В результате выяснено, что величины данных коэффициентов имеют незначительные (не более 6,5 %) различия от коэффициентов, полученных В. Л. Этиным.

Для исследования процессов очистки воды с использованием АОТ и регулированием дозы озона был поставлен специальный эксперимент так же с использованием модельной воды. По результатам эксперимента установлено, что система СОТВ с использованием АОТ и управляемым процессом озонирования воды способна довести до нормативного значения исходную воду с g_оз^min=(1,0...5,1) мг/дм³ в зависимости от качества воды. В системе без регулирования g_оз при улучшении качества исходной воды происходит передозировка озона, что нежелательно. Предлагаемая схема, таким образом, уменьшает опасность появления в технической воде вредных побочных продуктов озонолиза.

Экспериментом также определена степень очистки воды нейтрализацией д_н=0,29 и абсорбцией д_аб=0,32 в формулах (5), (6), (7).

Кроме перечисленного, в ходе эксперимента оценивалось гидравлическое сопротивление реакторов СОТВ. Знание величин сопротивления этих аппаратов необходимо при анализе уравнений (5) - (7) и определении характеристики эжектора (16).

Таким образом, выполненные экспериментальные исследования позволили определить все неизвестные коэффициенты в уравнениях математического описания работы СОТВ.

Проверка адекватности моделей производилась на основании дисперсионного анализа с использованием критерия Фишера. Результаты расчётов свидетельствуют, что вычисленные значения F-критерия ни в одном эксперименте не превысили табличных величин. То есть разработанная математическая модель работы СОТВ адекватно описывает реальные процессы в СОТВ при комплексной очистке технической воды.

Пятая глава посвящена вопросам практической реализации результатов выполненных исследований при проектировании систем оборотного водоснабжения для специализированных участков термической резки РЭБ флота, а так же анализу социально-экономической эффективности и предотвращённого экологического ущерба при внедрении таких систем на предприятиях отрасли.

В главе представлены: состав исходных данных, алгоритм проектирования оборотных систем водоснабжения с комплексной очисткой технической воды и методика проектирования СОТВ.

Укрупнённая схема алгоритма проектирования приведена на рис. 8. Она представляет собой совокупность последовательных расчётных блоков и блоков выборки. После ввода всего перечня исходных данных (блок 1), в зависимости от энергетических параметров СОТВ и степени загрязнённости технической воды в блоке 2 производится расчёт производительности СОТВ. В блоке 3 производится выбор узла предварительной фильтрации. В зависимости от уровня рН технической воды, в блоке 4 производится расчёт узла нейтрализации, а в блоке 5 - выбор его конструктивного исполнения, включая смесительное устройство. В блоке 6 производится выбор песчаного фильтра, а в блоке 7 по имеющимся каталогам производится выбор теплообменного (холодильного) аппарата.

В зависимости от энергетических параметров СОТВ в блоке 8 производится выбор и расчёт водо-воздушного эжектора, в том числе: выбор формы сопла; расчёт диаметра его выходного сечения, d_c, мм; диаметра камеры смешения, d₂ и др. В блоке 9 производится выбор конструкции озонатора, а в блоке 10 производится расчёт его параметров: тока I и мощности N_к разряда; расстояния от торца внутреннего электрода до торца наружного l_т и длины разрядной зоны l, мм. В блоке 11 осуществляется выбор фильтрующей загрузки и расчёт узла финишной фильтрации. На основании анализа расчётов, выполненных в блоках 2 - 11, в блоке 12 осуществляется генерация компоновочной схемы СОТВ.

Приведённый алгоритм разработан таким образом, что позволяет определить: основные характеристики узлов СОТВ, конструктивные размеры основных узлов системы получения озона; тип узла смешения и его производительность; тип абсорбента; технические параметры системы получения озона, а так же выбор фильтрующей загрузки и конструктивные размеры контактного фильтра.

Если известны основные параметры системы получения озона (концентрация реагента, мощность и производительность генератора озона) и имеется выбор готового озонаторного оборудования, расчёт в блоках 9 и 10 может не производиться.

Элементы разработанной автором технологической схемы СОТВ внедрены на участке плазменной резки корпусообрабатывающего цеха (СКЦ-1) ОАО «Окская судоверфь». Методика проектирования СОТВ для оборотного водоснабжения специализированных производственных участков внедрена в практику работы ИК ЗАО «КОНСАР» (г. Саров) и ИЭБ «РЕДОКС-СИСТЕМЫ» (г. Иваново). На основе данной методики разработаны ТУ 644-001-03149576-06 «Станция очистки сточных вод СОСВ-4».

Расчётный предотвращённый экологический ущерб от использования в производстве предложенных технических решений составляет 785 тыс. руб./год на один ВРС. Социально-экологический эффект выражается в снижении антропогенной нагрузки на ОС, экономии водных ресурсов, улучшении условий труда на специализированных участках РЭБ флота, повышении его производительности, закреплении кадров.

Общие выводы

Итогом выполненных исследований является научное обоснование метода снижения антропогенной нагрузки на ОС от специализированных участков механизированной термической резки СРЗ, БТОФ и РЭБ флота на основе оборотного водоснабжения раскройных столов МТР и использования АОТ очистки технической воды.

Основные результаты исследований сводятся к следующему:

1. Определены перспективные направления совершенствования экологической безопасности применяемых на РЭБ флота технологий плазменной резки. Созданы теоретические основы проектирования систем комплексной очистки технической воды в ВРС МТР на основе АОТ.

2. Обоснована форма сечения водяной завесы и разработана конструкция плазмотрона с завесой эллиптического сечения.

3. Разработано математическое описание процессов образования и распространения вредных веществ в технической воде ВРС.

4. С учётом выявленных закономерностей распространения загрязнений в воде раскройного стола разработана перспективная ресурсосберегающая схема оборотного водоснабжения ВРС МТР.

5. Обоснованы минимально необходимая глубина ВРС и возможность использования для комплексной очистки технической воды АОТ.

6. Разработано математическое описание работы СОТВ и отдельных её элементов с учётом переходных процессов при озонировании воды и с использованием АОТ.

7. Выполнена экспериментальная проверка адекватности основных положений разработанных математических моделей и определены эмпирические коэффициенты в уравнениях математического описания.

8. Исследованы процессы очистки технической воды и оценено гидравлическое сопротивление отдельных элементов СОТВ;

9. Определена доза СаО, необходимая для нейтрализации технической воды в системе «Water-table» и минимально необходимая доза озона для очистки технической воды в СОТВ и исключения опасности получения нежелательных побочных продуктов озонолиза.

10. Разработана методика проектирования систем оборотного водоснабжения ВРС МТР на основе АОТ очистки технической воды.

11. На основе указанной методики разработаны ТУ 644-001-03149576-06 «Станция очистки сточных вод СОСВ-4».

12. Внедрение результатов выполненных исследований на (75…80)% позволяет снизить антропогенное воздействие на ОС от специализированных участков термической резки РЭБ флота.

Список сокращений

АОТ - активированные окислительные технологии;

БТОФ - база технического обслуживания флота;

ВРС - водонаполненный раскройный стол;

ГАУ - гранулированный активированный уголь;

МТР - машина термической резки;

ОВП - окислительно-восстановительный потенциал;

ОС - окружающая среда;

СОТВ - система комплексной очистки технической воды;

РЭБ - ремонтно-эксплуатационная база флота;

СРЗ - судоремонтный завод.

Основные публикации по теме диссертационной работы

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Михеева, Т. А. Решение проблем ресурсосбережения и повышения экологической безопасности процессов плазменной резки / Т. А. Михеева // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. - 2008. - №2. - С. 323 - 326.

2. Михеева, Т. А. Ресурсосберегающая технология оборотного водоснабжения раскройных столов машин тепловой резки листового проката / Т. А. Михеева, Е. Г. Бурмистров, А. С. Курников // Экология и промышленность России. - 2007. - №11. - С. 13 - 15.

Публикации в других изданиях:

3. Михеева, Т. А. Перспективы применения активированных окислительных технологий в оборотных системах водоснабжения раскройных столов газо- и плазменнорезательных машин / Т. А. Михеева, Е. Г. Бурмистров // Материалы НТК, посвящённой 75-летию ВГАВТ: сб. науч. тр. / ФГОУ ВПО «ВГАВТ». - Н. Новгород, 2005 г. - С. 139 - 141.

4. Михеева, Т. А. Оборотные системы как метод рационального использования водных ресурсов на судостроительных предприятиях» / Т. А. Михеева, А. С. Курников // Материалы НТК, посвящённой 75-летию ВГАВТ: сб. науч. тр. / ФГОУ ВПО «ВГАВТ». - Н. Новгород, 2005 г. - С. 236 - 237.

5. Михеева, Т. А. Совершенствование экологической безопасности процесса механизированной тепловой резки в судостроении / Т. А. Михеева, Е. Г. Бурмистров // Ген. докл., тез. докл. МК «Великие реки». - Н. Новгород, 2006 г. - С. 236 - 238.

6. Михеева, Т. А. К вопросу об удалении оксидов азота и углерода из оборотной воды раскройных столов машин типа «Кристалл»» / Т. А. Михеева, А. С. Курников // Ген. докл., тез. докл. МК «Великие реки». - Н. Новгород, 2006 г. - С. 235 - 236.

7. «Станция очистки сточных вод СОСВ-4». Технические условия. ТУ 644-001-03149576-06. / Разраб. Михеева Т. А. и др. Введены с 01.02.2006г. до 01.01.2015 г.

8. Михеева, Т. А. Применение оборотного водоснабжения раскройных столов машин тепловой резки / Т. А. Михеева // Вестник / ФГОУ ВПО «ВГАВТ». Н. Новгород, 2007. - Вып. 21. С. 49 - 51.

9. Михеева, Т. А. Анализ экологической безопасности различных способов тепловой резки листового проката / Т. А. Михеева, А. С. Курников // Экология и жизнь: материалы XII Междунар. науч.-практич. конф. - Пенза, декабрь 2007. С. 189 - 194.

10. Михеева, Т. А. Обоснование применения элементов активированных окислительных технологий в системах оборотного водоснабжения технологического оборудования / Т. А. Михеева // Ген. докл., тез. докл. МК «Великие реки». - Н. Новгород, 2007 г. - С. 221 - 223.

11. Михеева, Т. А. Определение количества воды для возмещения потерь в системе оборотного водоснабжения водяного раскройного стола / Т. А. Михеева // Материалы НПК / ФГОУ ВПО «ВГАВТ». - Н. Новгород, декабрь 2007 г. - С. 328 - 331.

12. Михеева, Т. А. Определение показателей загрязнённости технической воды, используемой в раскройных столах машин тепловой резки / Т. А. Михеева // Вестник / ФГОУ ВПО «ВГАВТ». Н. Новгород, 2008. - Вып. 22. С. 328 - 331.

13. Михеева, Т. А. Определение баланса воды при использовании водяного раскройного стола с собственной системой очистки / Т. А. Михеева, А. С. Курников // Ген. докл., тез. докл. МК «Великие реки». - Н. Новгород, 2008 г. - С. 217 - 218.

14. Михеева, Т. А. Совершенствование экологической безопасности процесса механизированной тепловой резки / Т. А. Михеева, А. В. Тихомиров // Материалы НПК / ФГОУ ВПО «ВГАВТ». - Н. Новгород, декабрь 2008 г. - С. 254 - 257.

...