Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние проблемы воздействия предприятий железнодорожного транспорта на окружающую среду 10
1.1. Оценка воздействия выбросов предприятий железнодорожного транспорта на атмосферу 10
1.2. Характеристика Дальневосточной железной дороги как источника загрязнения окружающей природной среды 20
1.3. Анализ использования жидкого топлива на предприятиях железнодорожного транспорта с экологической точки зрения 24
1.4. Анализ методов сокращения вредных выбросов при использовании жидкого топлива на предприятиях железнодорожного транспорта 35
1.5. Разработка блок - схемы решения проблемы исследования 41
Выводы 44
2. Теоретическое обоснование разработки установок снижения вредных выбросов в окружающую среду 46
2.1. Теоретические основы образования основных загрязняющих веществ, выбрасываемых в окружающую среду при использовании жидкого топлива 46
2.1.1. Анализ работ по исследованию влияния свойств жидкого топлива на образование вредных веществ при его горении 46
2.1.2. Анализ механизмов образования оксидов азота 54
2.1.3. Анализ механизмов образования продуктов неполного горения 57
2.1.4. Анализ механизмов образования оксидов серы 60
2.2. Обоснование разработки устройств для снижения выбросов загрязняющих веществ в окружающую среду 61
2.3. Разработка экспериментальной установки для исследования влажности и дисперсности водомазутных эмульсий 64
2.4. Разработка устройства для приготовления водомазутных эмульсий 71
2.5. Разработка устройства для сжигания жидких топлив и отходов с малым выбросом загрязняющих веществ 76
2.6. Разработка рациональной конструкции эмульгатора для повышения экологичности использования топлива 79
Выводы 89
3. Экспериментальные исследования и разработка математических зависимостей выбросов загрязняющих веществ при использовании устройств 91
3.1. Приборы и методика определения выбросов загрязняющих веществ в продуктах сгорания 91
3.2. Разработка математической модели выбросов загрязняющих веществ от режимных параметров 95
3.3. Получение модели регрессионной зависимости. Анализ результатов влияния режимных факторов на выбросы загрязняющих веществ 109
Выводы 118
4. Эколого-экономическая оценка применения разработанных устройств, снижающих вредные выбросы в окружающую среду на предприятиях ДВЖД 120
4.1. Краткая характеристика существующих методик оценки ущерба, наносимого природной среде предприятиями железнодорожного транспорта 120
4.2. Оценка эколого-экономической эффективности уменьшения вредных выбросов в атмосферу 125
4.3. Расчет экономического эффекта от внедрения устройств, снижающих вредные выбросы на линейных предприятиях ДВЖД 129
Выводы 136
Заключение 137
Список использованных источников 139
Приложения 153
- Оценка воздействия выбросов предприятий железнодорожного транспорта на атмосферу
- Анализ работ по исследованию влияния свойств жидкого топлива на образование вредных веществ при его горении
- Приборы и методика определения выбросов загрязняющих веществ в продуктах сгорания
Введение к работе
Актуальность проблемы
Вопрос снижения негативного воздействия на экосистемы напрямую связан с устойчивым существованием живой природы, а, следовательно, и человека как её пользователя. Современный масштаб техногенного давления на окружающую среду принял катастрофические размеры, поэтому научно обоснованные предложения по снижению такого воздействия следует причислить к актуальнейшим задачам сегодняшнего дня.
Предприятия железнодорожного транспорта являются крупными источниками загрязнения атмосферного воздуха и водных объектов. В результате хозяйственной деятельности в атмосферу поступают следующие загрязняющие вещества: канцерогенные углеводороды, токсичные оксиды азота, оксид углерода, диоксид серы, пятиоксид ванадия и твердые частицы и др. [70,82,88,133,100,136]. Вредное воздействие на окружающую среду усиливается тем, что эти источники загрязнений располагаются в жилых районах, в которых проживает население.
В Федеральном законе РФ «Об охране окружающей среды» особое внимание обращается на необходимость использования технологических процессов и схем на основе малоотходных и безотходных технологий, которые бы максимально снизили или полностью исключили загрязнение природной среды [61]. При этом главной задачей является снижение образования вредных веществ непосредственно в источнике их возникновения [135].
Анализ современных технологических методов снижения выбросов вредных веществ, влияющих на окружающую природную среду, показывает, что комплексным характером подавления вредных выбросов обладает метод использования жидкого топлива в виде водомазутных эмульсий (ВМЭ)
[11,18,28,63,65,89,90,112,128,135,148]. Диссертационная работа выполнена в разрезе решения проблемы загрязнения окружающей среды, указанной в законе, и в соответствии с основными направлениями «Экологической программы железнодорожного транспорта на 2001—2005 гг.», согласно которой предусмотрено сокращение общего объема вредных выбросов в атмосферный воздух на 23,1% [142].
Цель диссертационной работы
Разработка технических решений по снижению вредных выбросов котельными предприятий железнодорожного транспорта на основе анализа их негативного воздействия на окружающую среду.
Поставленная цель потребовала решения следующих задач:
1. Проанализировать состояние проблемы загрязнения окружающей
природной среды производственными предприятиями железнодорожного
транспорта с выделением наиболее значимых источников выбросов вредных
веществ.
Исследовать процессы образования вредных веществ при использовании мазута и научно обосновать устройства для их сокращения.
Разработать и исследовать устройство подготовки мазута к использованию в виде водомазутных эмульсий.
4. Разработать и исследовать устройство для сжигания жидких топлив с
малым выбросом вредных веществ.
Разработать математическую модель выхода вредных веществ в зависимости от влажности ВМЭ и режима ее использования.
Определить эколого-экономическую эффективность разработанных устройств при внедрении на предприятиях железнодорожного транспорта.
Объектами исследования являлись локомотивные депо ст. Облучье и Хабаровск-2, котельная ст. Амур ДВЖД.
Методы исследования :
Для решения поставленных задач использовался комплексный подход, включающий в себя анализ и обобщение данных научно-технической литературы по проблеме исследования, экспериментальные исследования и обработка их результатов с применением методов математической статистики, математического моделирования с использованием пакета программ MatLab.
Необходимые данные для выполнения работы были предоставлены Государственными комитетами по охране природных ресурсов по Хабаровскому краю и Еврейской автономной области, а также отделом охраны природы ДВЖД.
Научная новизна работы :
Получены уравнения регрессии выхода основных вредных веществ при использовании ВМЭ в зависимости содержания в них воды и режима работы топливоиспользующих устройств.
Определены оптимальные значения содержания влаги в мазуте и ее дисперсности, обеспечивающие минимальные выбросы загрязняющих веществ.
Разработаны новое устройство для приготовления водомазутных эмульсий и установка для сжигания жидкого топлива, позволяющие снизить концентрацию загрязняющих веществ в выбросах.
4. Разработана новая конструкция эмульгатора для приготовления
качественной ВМЭ с целью повышения экологичности ее использования.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Результаты экспериментальных исследований влияния дисперсно-влажностных характеристик водомазутных эмульсий на выход вредных веществ, позволяющие установить оптимальные значения влажности
эмульсии, размеров капель воды, обеспечивающие снижение вредных выбросов в атмосферу.
Математические модели регрессионной зависимости выхода основных вредных веществ от влажности водомазутных эмульсий и режима их использования, позволяющие повысить экологичность работы котельной.
Устройства для приготовления водомазутных эмульсий и их использования в котельных предприятий железнодорожного транспорта, позволяющие сократить вредные выбросы загрязняющих веществ в окружающую среду.
Практическая значимость работы :
1. Разработаны и внедрены устройство для приготовления водомазутных
эмульсий в котельной локомотивного депо ст. Облучье ДВЖД и устройство
для использования жидкого топлива в котельной ст. Амур ДВЖД.
2. Разработаны и рекомендованы к внедрению режимные карты
эксплуатации котлов ДЕ, позволяющие повысить их экологическую
безопасность при использовании ВМЭ.
3. Разработана конструкция эмульгатора, внедренного в котельной ст.
Амур ДВЖД.
Достоверность результатов подтверждается :
использованием методов математической статистики и моделирования для обработки результатов исследования;
удовлетворительной сходимостью результатов анализа математической модели с данными экспериментальных исследований;
практикой опытной эксплуатации и работоспособностью предложенных автором конструктивных и технических решений на предприятиях ДВЖД.
Реализация и апробация работы
Основные положения и результаты докладывались на конференциях :
Всероссийской научно-практической конференции «Повышение
эффективности работы железнодорожного транспорта Сибири и Дальнего
Востока» (ДВГУПС, 2001); 60-й Региональной научной конференции
творческой молодежи (ДВГУПС, 2002); Всероссийском симпозиуме (ХИФПИ -
02) «Химия: фундаментальные и прикладные исследования, образование»
(ДВГУПС, 2002); Всероссийской научно-технической конференции
«Проблемы и перспективы развития железнодорожного
транспорта»(УрГУПС,2003); 43-й Всероссийской научно-практической конференции «Современные технологии - железнодорожному транспорту и промышленности» (ДВГУПС, 2003); Ш Международной научной конференции творческой молодежи (ДВГУПС, 2003); Международных научных чтениях «Приморские зори -2005» (ДВГТУ, 2003); 62-й Межвузовской научно-технической конференции творческой молодежи (ДВГУПС, 2004); Четвертой международной научной конференции творческой молодежи «Научно-техническое и экономическое сотрудничество стран АТР» (ДВГУПС, 2005); Международных научных чтениях «Приморские зори - 2005» (ДВГТУ, 2005); 4-й региональной научно- практической конференции в области экологии и безопасности жизнедеятельности «Дальневосточная весна - 2005» (КнАГТУ,2005).
Структура работы
Диссертационная работа изложена на 138 страницах печатного текста, включает 20 таблиц, 38 рисунков и состоит из содержания, введения, четырех глав, заключения, 14 приложений, списка использованных источников из 162 наименований.
Оценка воздействия выбросов предприятий железнодорожного транспорта на атмосферу
Введенный в действие с 2002 г. Федеральный закон РФ «Об охране окружающей среды» регламентирует комплекс вопросов сокращения и нормирования вредных выбросов в атмосферу, сбросов в водные объекты и устанавливает ответственность за недопустимое загрязнение окружающей среды [61] . В соответствии с этой государственной стратегией ОАО РЖД рассматривает экологическую работу в отрасли как важнейшее направление в своей деятельности. В целях оздоровления и улучшения экологической обстановки была разработана «Экологическая программа железнодорожного транспорта на 2001—2005 гг.», предусматривающая снижение общего объема вредных выбросов на 68 тыс. т. За последние четыре года снижение выбросов в атмосферу удалось довести до 64,3 тыс.т. [142].
Тем не менее, анализ природоохранной деятельности в ОАО «РЖД» показывает, что, наряду со снижением воздействия на окружающую среду, поступление загрязняющих веществ в атмосферу от промышленных предприятий остается на достаточно высоком уровне. В частности, на очистных сооружениях улавливается и обезвреживается всего 35,5% выбросов загрязняющих веществ в атмосферу [107].
Основная причина негативного воздействия железнодорожного транспорта на атмосферу заключается в недостаточно эффективной работе технологического оборудования, природоохранных сооружений и оборудования в хозяйствах железных дорог и на заводах, а именно:
- в хозяйстве гражданских сооружений и водоснабжения - не достаточная очистка выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух котельными, работающими на твердом и жидком топливе;
- в локомотивном хозяйстве - значительные выбросы загрязняющих веществ в атмосферный воздух маневровыми тепловозами, котельными, работающими на твердом и жидком топливе;
-в путевом хозяйстве - выбросы токсичных загрязняющих веществ в атмосферу на шпалопропиточных заводах;
-в вагонном хозяйстве - выбросы вредных веществ в атмосферу котельными, работающими на твердом и жидком топливе; выбросы вредных веществ в атмосферу на промывочно-пропарочных станциях;
-в грузовом хозяйстве - загрязнение окружающей среды сыпучими грузами вследствие их распыления при перевозке на открытом подвижном составе.
Для всех хозяйств железных дорог и заводов характерным является: высокий износ основных фондов оборудования и сооружений природоохранного назначения, их недостаточная эффективность и производительность; отсутствие или неудовлетворительная работа пылегазоулавливающих установок; нарушение сроков разработки и согласования нормативных экологических документов.
Из всего многообразия загрязняющих веществ, воздействующих на атмосферный воздух при работе предприятий железнодорожного транспорта, следует выделить как наиболее масштабные: оксиды азота, серы, углерода, газообразные углеводороды и твердые частицы [137].
Поступление в воздушный бассейн токсичных веществ с продуктами сгорания топлива котельных агрегатов изменяет состав атмосферного воздуха, часто приближая концентрации загрязняющих веществ к опасным по биологическому воздействию на человека, животных, растения, приводит к интенсивной коррозии металлов и строительных материалов. Критерием санитарной оценки качества воздушной среды является предельно допустимая концентрация (ПДК) вредного вещества в воздухе. Под ПДК следует понимать такую концентрацию различных веществ в атмосферном воздухе, которая при ежедневном воздействии в течение длительного времени на организм человека не вызывает каких-либо патологических изменений или заболеваний. Следует отметить, что нашей стране принадлежит приоритет в разработке ПДК. Предельно допустимые концентрации атмосферных загрязнений устанавливаются в двух показателях: максимальные разовые (за 20 мин) и среднесуточные (за 24 ч). Максимальная разовая ПДКМ.Р. устанавливается для предупреждения рефлекторных реакций у человека от воздействия атмосферных загрязнений, а среднесуточная ПДКС.С. - с целью предупреждения резорбитного (общетоксичного, мутагенного, канцерогенного и др.) их влияния. В табл. 1.1.1 приведены нормы ПДК для основных загрязняющих веществ в атмосферном воздухе, утвержденные Минздравом РФ [ 14 ].
Анализ работ по исследованию влияния свойств жидкого топлива на образование вредных веществ при его горении
По элементарному составу малосернистый мазут практически не отличается от нефти, из которой он получен. Для высокосернистого мазута характерным является пониженное по сравнению с нефтью содержание углерода и водорода. С увеличением плотности мазута уменьшаются соотношение водорода и углерода и теплота сгорания [ 45 ].
Основными компонентами мазутов, получаемых при прямой перегонке нефти, являются углеводородные соединения. К ним относятся ароматические, циклические и полициклические соединения, а также соединения предельного ряда (олефины) [7,12,25]. В асфальтосмолистые вещества мазутов входят смолы и асфальтены, присутствующие в нефти. Плотность смол составляет около 1 г/см3, молекулярная масса 350— 850. В мазутах содержание смол находится в пределах 8—14% [ 12,45 ].
Особенностью асфальтосмолистых веществ является неодинаковая растворимость. С ростом плотности мазута количество асфальтосмолистых веществ в мазуте возрастает, а также увеличивается и его вязкость [ 12, 159 ].
В ряду компонентов состава мазутов одно из первых мест занимают минеральные примеси и зольность. В минеральные примеси входят соли щелочных металлов (растворимые в воде, извлеченной вместе с нефтью), а также металлоорганические соединения, являющиеся составной частью горючей массы топлива и содержащие атомы ванадия, никеля, железа и др.
При сгорании минеральных примесей образуются оксиды, составляющие большую или меньшую часть золы. В золе мазутов содержатся следующие оксиды, %: V2O5 (0,01- 0,03); SiC 2 (0,001 -0,008); Fe2 03 (0,001- 0,02); CaO (0,01- 0,1); MgO (0,001- 0,01); Na20 (0,02-0,08) [12].
Сернистые соединения в мазуте представлены сероорганическими веществами (меркаптаны, сульфиды, тиофаны, дисульфиды, полисульфиды, тиофены), хорошо растворимыми в углеводородах, а также в виде растворимых в углеводородах сероводорода и элементарной серы. Элементарная сера в сырых нефтях содержится до 1 % и более, как в аморфном, так и в кристаллическом виде, растворима в углеводородных смесях. При температуре выше 150С элементарная сера может взаимодействовать с некоторыми углеводородами с образованием сероводорода и других новых сернистых соединений [ 7 ].
«Остаточная» сера нефтей и нефтепродуктов концентрируется в наиболее тяжелой, высокомолекулярной части нефти и нефтепродуктов, в основном в асфальтосмолистых соединениях. Исследованиями установлено, что практически вся «остаточная» сера высокомолекулярной части нефти входит в структуру циклических соединений; эти соединения наряду с серой могут содержать кислород, азот, металлы (ванадий, натрий, магний, железо и др.) [ 12 ].
Содержание воды в мазутах колеблется в пределах от 0,5 до 5 %, а в отдельных случаях и выше (обводненные мазуты). Как правило, содержание воды в мазутах, отправляемых потребителю, не превосходит норм, предусмотренных ГОСТ 10585—75 . Однако при сливе их из цистерн и разогреве паром влажность их повышается до 4—10 %, а при разогреве паром высоковязких мазутов в зимнее время — до 15-20 % [90,102,124,128132].
У обводненных мазутов понижается низшая теплота сгорания, увеличивается коррозионная активность по отношению к мазутопроводам; работа на обводненных мазутах усложняет эксплуатацию котлоагрегата.
Огромное значение в оздоровлении атмосферы городов и поселков имеет перевод малых отопительных и коммунально-бытовых котельных с твердого на жидкое топливо. Важное значение для оздоровления окружающей среды имеет улучшение теплотехнических характеристик сжигаемых топлив. В первую очередь, это обогащение топлива, очистка от вредных примесей, ввод специальных присадок. Основными вредными элементами топлива являются серо- и азотсодержащие соединения. Топливо для отопительных котельных должно содержать минимальное количество серы и азота. К сожалению, это условие часто на практике нарушается [ 12 ].
Приборы и методика определения выбросов загрязняющих веществ в продуктах сгорания
Сложность топочных процессов, невозможность получения аналитических решений при помощи теории горения без упрощений, искажающих получаемые результаты, обуславливает применение экспериментальных исследований как основного способа изучения этих процессов применительно к котлам предприятий железнодорожного транспорта. Вместе с тем, проведение экспериментальных работ в промышленных условиях накладывает определенные ограничения на выбор методов и приборов измерения. При этом предпочтительно применение достаточно простых и точных методик, требующих небольшое время для проведения анализа и получения результата, мало иметь необходимое количество химических реактивов. Приборы, применяемые для анализа, должны быть компактны, иметь малый вес, удобны в работе.
Для отбора проб дымовых газов применялись следующие приборы : Газоанализатор « Testo - 33», дифманометр «Testo - 505Р», весы ВЛР-200 термометр ТЦМ - 9210 - 01. При проведении исследований состава дымовых газов определение концентраций СО, NOx, SO2 выполнялись газоанализатором « Testo - 33», сажистых частиц - аспиратором ПУ-4Э.
Принципиальная схема котла исследуемого типа приведена на рис. 3.1.1. Отбор проб осуществлялся через штуцер 16 по утвержденным методическим рекомендациям (ПНД Ф12.1.1и2- 99). - верхний барабан; 2 - нижний барабан; 3 - конвективный пучок; 4 -топочная камера; 5 - экран потолка; 6 - задний экран; 7 - перегородки конвективного газохода; 8 - предохранительные клапаны; 9 - ввод питательной воды; 10 - сепарационное устройство; 11 - отвод пара; 12 -трубопровод продувки; 13 - устройство парового обогрева при растопке; 14,15 — лючки для наблюдений, 16 - штуцер для отбора проб .
При расчете объема дымовых газов, отобранного для анализа, необходимо знать температуру и давление газа в линии отбора проб, а также атмосферное давление.
Газоанализатор « Testo - 33» построен на базе электрохимических сенсоров и измеряет выбросы вредных веществ, образующиеся при сгорании углеводородного топлива (газ, мазут, уголь и т. п.) (табл. 3.1.1).
Газоанализатор позволяет измерять температуру дымовых газов (до 800С), давление, разряжение, избыток воздуха, потери тепла, КПД топливо-сжигающей установки. Все измеренные параметры отображаются на жидкокристаллическом дисплее (4 строки - 20 символов) на русском языке и распечатываются на встроенном термопринтере. Приборы имеют энергонезависимую память на 200 измерений и интерфейс В8-232 для связи с ПК.
Измерение температуры газа для контроля показаний, выдаваемых газоанализатором, проводились с помощью термометра ТЦМ - 9210 - 01, помещенного в линию отбора проб перед газоанализатором. Измерение давления проводилось дифференциальным манометром цифровым ДМЦ-01 при помощи пневмотрубки, помещаемой в линию отбора проб также перед газоанализатором. Атмосферное давление измеряли барометром-анероидом в момент отбора пробы. При отборе проб сажистых частиц применялось аспирационное устройство ПУ-4Э, для измерения давления, разряжения и разницы давлений использовался дифманометр ДМЦ-01, температуры- термометр ТИМ - 9210 - 01, пылезоборные трубки с наконечниками, патрон с бумажным фильтром.
При анализе литературных источников [2,19,27,44,47,52] установлено, что факторами, наиболее значимо влияющими на уровень концентрации загрязняющих веществ в уходящих газах котлов, являются влажность водомазутной эмульсии W и коэффициент избытка воздуха а.. В связи с этим применительно к котлу ДЕ- 6,5/14, на котором проводились исследования по предлагаемому автором устройству [74], в качестве регулируемых факторов были приняты: коэффициент избытка воздуха в пределах- 1,05-1,20, влажность водомазутной эмульсии - от 4% до 20%. Факторы имеют конечное число значений (уровней) [131]. В ходе эксперимента были измерены значения концентрации вредных выбросов четырех групп - сажистые частицы, оксиды азота, оксид углерода, диоксид серы - которые зависят от указанных факторов. Данные результатов отбора выбросов, оформленных протоколами, см. в прил. № 9,10.
При выполнении процедуры отбора проб принимались следующие оценки составляющих отбора проб и определения относительного среднего квадратического отклонения (ОСКО):
1) максимальная погрешность оборудования составляло менее 5%;
2) ОСКО определения скорости газа в газоходе принималось 0,03;
3) погрешность от угла наклона оси пылезаборной трубки к оси потока, не превышающего 5 пренебрегалась;
4) погрешность осреднения запыленности потока для прямоугольного измерительного сечения принималась 2%;
5) погрешность от осаждения пыли в канале пылезаборной трубки пренебрегалась;
