Введение к работе
Актуальность работы. Интенсивное развитие судоходства на внутренних водных путях России привело к строительству качественно нового флота: с мощными энергетическими установками, высокими грузоподъемностью, пассажировместимостью и скоростью. В процессе эксплуатации данных судов при проведении производственной и общесудовой деятельности на борту непрерывно образуется ряд твердых, жидких и газообразных отходов, подлежащих нейтрализации и удалению.
В настоящее время на флоте преимущественно применяются два способа решения проблемы эксплуатационных отходов. Первый – раздельное накопление всех их видов для сдачи на берег. Недостатком его является необходимость наличия на борту емкостей, что требует дополнительных помещений и уменьшает провозную способность, а также развитой инфраструктуры комплексного обслуживания флота (КОФ). Как вариант можно выделить раздельное накопление всех видов отходов для сдачи на специальные суда комплексной переработки отходов (СКПО). Второй – переработка отходов на борту судна при помощи специальных систем для очистки сточных (СВ) и нефтесодержащих (НВ) вод, а также инсинераторов. К недостаткам способа относятся сложность и дороговизна оборудования, его обслуживания, необходимость дополнительных затрат энергии. Для ряда речных судов установка такого оборудования на борту невозможна.
Также необходимо учитывать то обстоятельство, что в 95% всех эксплуатационных судовых отходов имеется “скрытая” энергия в виде теплоты при сгорании, которая до сих пор не получила широкого применения.
Указанные недостатки существующей системы КОФ и систем переработки отходов явились поводом для поиска новых подходов к комплексному решению проблемы эксплуатационных судовых отходов.
Проведенный анализ работ различных российских и зарубежных ученых, к которым относятся Баранов А.Л., Богатых С.А., Барац В.А. Васильев Л.А., Волков Л.С., Карастелев Б.Я., Кульский Л.А., Курников А.С, Лукиных Н.Л., Решняк В.И., Стаценко В.Н., Этин В.Л., Яковлев С.В., Баадер В., Бойлс Д., Бренндерфер М., Доне Е., Заборски О., Соуфер С., Рандольф Р. и др., показывает, что разработки и исследования, проводимые ими, ориентированы не на решение общей проблемы проектирования систем для утилизации отходов, а на частные вопросы. Дальнейшее решение этой проблемы сдерживается отсутствием комплексных исследований систем переработки различных видов отходов с учетом их взаимодействия в целях повышения эффективности, экономичности и экологичности.
Комплексный метод при проектировании судовых систем позволяет производить эффективную переработку и утилизацию основных видов отходов используя универсальные технологии обработки различных сред с одновременным уменьшением антропогенной нагрузки на окружающую среду. Таким образом, проблема проектирования судовых систем для переработки и утилизации судовых отходов актуальна и требует скорейшего разрешения.
Целью диссертационной работы является создание научно-обоснованной методики проектирования взаимодействующих систем для СКПО, обеспечивающих переработку и утилизацию эксплуатационных судовых отходов с одновременным получением энергии за счет их рекуперации.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. На основе анализа современных средств и технологий предложить способы совершенствования систем переработки судовых отходов.
2. Провести статистическое исследование по основным видам судовых отходов на отдельном судоходном участке.
3. Определить необходимую производительность систем переработки отходов.
4. Разработать математическое описание процессов переработки СВ, НВ, судового мусора с учетом специфики работы судовых систем.
5. Оценить количество теплоты при комплексной переработке отходов на судне. Составить энергетический баланс СКПО.
6. Провести экспериментальные исследования по определению неизвестных величин – влажности и содержания взвешенных веществ (ВВ) в подготовленном к анаэробному сбраживанию осадке СВ.
7. Произвести математическое моделирование систем переработки отходов с учетом их взаимодействия.
8. Разработать новую принципиальную схему систем СКПО.
9. Дать социально-экологическую и экономическую оценки предлагаемым мероприятиям.
Объектом исследования является комплекс систем СКПО для переработки, утилизации и рекуперации основных видов судовых отходов, содержащий взаимодействующие перерабатывающие и энергетические системы.
К предмету исследования относятся процессы, протекающие при переработке, утилизации, рекуперации и использовании теплоты сгорания основных видов эксплуатационных судовых отходов в системах СКПО.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Впервые научно обоснована концепция совершенствования технологий переработки эксплуатационных судовых отходов путем рекуперации скрытой в них тепловой энергии, а также использования взаимодействия систем комплекса, что упрощает процессы и повышает качество очистки загрязненных сред.
2. Исследованы и определены параметры подготовленных к сжиганию судовых отходов и продуктов их переработки: их количества по видам, вероятностные значения теплоты сгорания. Проведены экспериментальные исследования по оценке величин влажности и содержания ВВ в подготовленном к анаэробному сбраживанию осадке СВ.
3. Впервые разработаны и предложены математические модели систем для переработки и рекуперации основных видов судовых отходов на СКПО с учетом их взаимодействия. Доказана адекватность предложенной математической модели взаимодействующих систем рекуперации судовых отходов.
4. На основе математических моделей разработана новая принципиальная схема взаимодействующих систем переработки судовых отходов для СКПО, объединенных в единый комплекс. Создан алгоритм проектирования комплекса взаимодействующих систем, позволяющий принимать обоснованные технологические и конструкторские решения. Новизна подтверждена положительным решением о выдаче патента РФ на изобретение № 2007119837/15 и 2 патентами РФ на полезную модель № 2009104258/22 и № 2009111780/22.
Практическая ценность работы заключается в создании нового комплекса взаимодействующих систем СКПО для переработки, утилизации и рекуперации основных видов эксплуатационных судовых отходов, а также в разработке методики проектирования данного комплекса систем.
Использование результатов работы позволяет:
1. Производить переработку, утилизацию и рекуперацию всех основных видов эксплуатационных судовых отходов (СВ, НВ, судового мусора, пищевых отходов) в комплексе систем СКПО.
2. Разработать новую, защищенную патентом, принципиальную схему комплекса взаимодействующих систем для СКПО, а также отдельных систем переработки основных видов отходов: очистки СВ (СОСВ), очистки НВ (СОНВ), системы переработки судового мусора, станции производства биогаза, системы обезвреживания пищевых отходов, системы термической утилизации отходов в котлоагрегате.
3. Значительно снизить затраты нефтяного топлива за счет использования на СКПО в качестве его заменителя продуктов переработки отходов.
4. Снизить за счет применения комплексного подхода и взаимодействия систем СКПО энергозатраты при переработке и утилизации основных видов эксплуатационных судовых отходов.
5. Разработать методику проектирования объединенного комплекса взаимодействующих систем экологического назначения для СКПО, позволяющую принимать обоснованные технологические и конструкторские решения.
6. Рассчитать эксплуатационные параметры работы указанного комплекса систем СКПО.
Реализация результатов работы выражается в следующем:
1. Технические условия ТУ 4859-001-03149576-2007 на СОСВ со станциями типа “СОСВ-5”, “СОСВ-10”, “СОСВ-20”. Высокая надежность предлагаемых систем одобрена Регистром, Роспотребнадзором и Ростехнадзором.
2. Положительное решение о выдаче патента РФ на изобретение “Мобильная станция комплексной переработки эксплуатационных судовых отходов с целью их последующей рекуперации № 2007119837/15.
3. Патент РФ на полезную модель “Комплекс систем для мобильной станции переработки эксплуатационных судовых отходов с целью их последующей рекуперации” № 2009104258/22.
4. Патент РФ на полезную модель “Плавучий туристический комплекс”, содержащий буксировочное судно с комплексом систем для переработки и рекуперации отходов № 2009111780/22.
5. Методика проектирования предложена для переоборудования серийного теплохода типа “ОС” проекта 354К в СКПО, предназначенное для обслуживания пассажирского флота на судоходном участке с центром в г. Н.Новгород.
Достоверность полученных результатов обеспечивается применением современных методов теоретических и экспериментальных исследований на основе известных зависимостей гидродинамических, физических и химических процессов. Экспериментальные исследования проводились с использованием стандартных методик и приборов для определения контролируемых показателей. Обработка результатов осуществлялась методом корреляционно-регрессионного анализа.
Апробация работы. Результаты исследований докладывались и обсуждались на следующих мероприятиях: международный промышленно-экономический форум “Россия единая” (Н. Новгород, 2006); Всероссийская конференция студентов и аспирантов по приоритетному направлению “Рациональное природопользование” (Ярославль, 2006); Всероссийская молодежная научно-техническая конференция “Новые технологии водного транспорта” (Н. Новгород, 2007); конкурс “Молодые ученые транспортной отрасли 2007” (Ростов-на-Дону, 2007); научно-методическая конференция профессорско-преподавательского состава ВГАВТ “Транспорт-XXI век” (Н. Новгород, 2007); научно-практический форум “Великие реки” (Н. Новгород, 2007 и 2008); VIII Всероссийская выставка НТТМ-2007 (Москва, 2007); областной конкурс молодежных инновационных команд РОСТ “Россия. Ответственность. Стратегия. Технологии.” (Н. Новгород, 2008); ярмарка “Инновации нижегородцев – экономике региона” (Н. Новгород, 2008); конференция аспирантов и молодых ученых ВГАВТ (Н. Новгород, 2008); XIII Нижегородская сессия молодых ученых (панс. “Татинец”, 2008); VI Приволжская ярмарка “Российским инновациям – российский капитал” (Н. Новгород, 2008); конкурс “Ползуновские гранты” (Барнаул, 2008); конкурс на право проведения НИОКР “У.М.Н.И.К.-НН” (Н. Новгород, 2009), IX Московский международный салон инноваций и инвестиций (Москва, 2009). Автор удостоен различных наград, в том числе государственных. В их числе: “Премия для поддержки талантливой молодежи первой степени” (грант Президента РФ); финансирование проекта в рамках федеральной программы “Участник молодежного научно-инновационного конкурса” (У.М.Н.И.К.-2007 и У.М.Н.И.К.-2008); золотая медаль выставки НТТМ-2007 “За успехи в научно-техническом творчестве”; стипендия имени академика Г.А. Разуваева (диплом лауреата № 1554); специальная стипендия Президента Российской Федерации.
Публикации. Список публикаций по материалам диссертации состоит из 17 работ, в том числе 1 работа в реферируемом ВАК журнале, положительное решение о выдаче патента России, 2 патента на полезную модель.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографического списка использованной литературы и приложений. Основное содержание работы изложено на 139 страницах машинописного текста и включает 39 рисунков и 43 таблицы. Список литературы состоит из 151 наименования.
Похожие диссертации на Проектирование специальных систем судов комплексной переработки отходов
