Введение к работе
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 NOx, CrxOy, MnxOy 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.
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.
