Экология/ 4. Промышленная экология и медицина труда

Технические науки/ 3. Отраслевое машиностроение

Д.т.н Венгер К.П., к.т.н. Феськов О.А., к.т.н. Орловский Д.Е.

Московский государственный университет пищевых производств, Россия

 

Криогенная установка для ликвидации последствий

техногенных загрязнений

 

Развитие промышленного производства обусловило появление неконтролируемых выбросов твердых, жидких и газообразных промышленных отходов, приводящих к техногенному загрязнению различных природных сред. К данной проблеме относятся также случаи аварийного разлива нефти и нефтепродуктов из емкостей при транспортировке, в процессе добычи и переработки.

Используемые в отечественной практике способы удаления нефтяных загрязнений (химический – абсорбенты, механический – скребками и т.п., путем выжигания) отличаются трудоемкостью и невысокой эффективностью.

Специалистами кафедры «Холодильная техника» МГУ прикладной биотехнологии, после реорганизации МГУ пищевых производств, совместно с ЗАО «Экология. Космонавтика. Авиация» разработан проект «ЭКА-Криоген – создание криогенных установок для быстрого замораживания пищевых продуктов и защитного слоя грунта для очистки от техногенных загрязнений» Проект удостоен серебряной и золотой медалей на V (февраль 2005 г.) и VI (февраль 2006 г.) Московских международных салонах инноваций и инвестиций.

В процессе реализации данного проекта, на базе созданного специалистами кафедры азотного скороморозильного туннельного аппарата (АСТА), разработано устройство, на которое получен патент РФ (№2286857, 2006 г.), предназначенное для замораживания жидким и/или газообразным азотом поверхности грунта, загрязненного нефтепродуктами, пожаро-, взрывоопасными, ядовитыми и химически агрессивными веществами, с целью его очистки (рис. 1).

 

Рис. 1 Схема устройства для криогенного замораживания загрязнённого грунта: 1 – тягач; 2 – цистерна с жидким азотом; 3 – гибкий трубопровод; 4 – Т-образный коллектор; 5 – разъёмные ответвления; 6 – криогенный модуль; 7 – грунт; 8 – нефтяное загрязнение; 9 – колёсные пары; 10 – тросы.

Предлагаемая установка включает тягач с размещенной на нем цистерной с жидким азотом и аппарат, состоящий из нескольких криогенных модулей, который соединяется с тягачом специальными тросами. Число криогенных модулей в аппарате определяет ширину обрабатываемой поверхности.

На рис.2 показана принципиальная схема криогенного модуля в продольном и поперечном сечениях. Модуль представляет собой теплоизолированную камеру, обращенную открытой частью к замораживаемой поверхности и состоит из 2-х зон, соответствующих различным температурным уровням процесса криогенного замораживания техногенных загрязнений.

Рис. 2 Продольный (а) и поперечный (б) разрезы криогенного модуля: зона 1 – распыление жидкого азота; зона 2а и 2б – соответственно, теплоизолированная и нетеплоизолированная части зоны предварительного охлаждения; 1 – распылительный коллектор; 2 – форсунки; 3 – боковой борт; 4 – торцевой борт; 5 – отверстия в нетеплоизолированном ограждении; 6 – нетеплоизолированное ограждение; 7 – герметизирующие борта.

В I-ой зоне происходит орошение загрязненной нефтью поверхности жидким азотом (-196 0C), путем его распыления через форсунки. Образующийся при испарении жидкого газообразный азот циркулирует в зоне II предварительного охлаждения загрязненного грунта. Конструкция модуля предусматривает наличие дополнительных ограждающих бортов, позволяющих максимально продолжительно удерживать газообразный азот внутри аппарата с целью продления его контакта с обрабатываемой поверхностью.

На транспортном средстве возможно размещать емкость с криоагентом объемом 5, 8 или 16 м3, что позволит без дозаправки обработать поверхность площадью от 1000 до 10000 м2. Использование в устройстве наружных бортов, а также теплоизоляции трубопроводов, по которым осуществляется подача хладагента, позволяет обеспечить значительное сокращение расхода дорогостоящего хладагента, за счет более полного использования его холодильного потенциала.

После замораживания осуществляется процесс утилизации загрязненного слоя, для которого возможно использование техники и технологии механизированного снятия старого слоя асфальта с дорожного покрытия.

В результате выполненных исследований разработаны аналитические модели расчета продолжительности замораживания нефтяного загрязнения с учетом конструкции модкля криогенной установки и этапов его перемещения по загрязненной поверхности; установлены закономерности, представленные номограммами, взаимосвязывающие продолжительность процесса замораживания, толщину слоя нефтяного загрязнения, конечную темепературу холодильной обработки в зонах модуля, температуру газообразного азота.

Рассчитан расход жидкого азота и получены его графические зависимости от условий работы криогенной установки при замораживании слоя нефти различной толщины.

Получены результаты экономической и экологической оценки предлагаемого устройства на примере замораживания нефтяных загрязнений жидким азотом. Оценка проводилась с определением размера ущерба окружающей среде, предотвращенного с помощью криогенной установки и затратами на ее использование.

Удельные затраты (руб/м2) рассчитаны с учетом продолжительности замораживания нефтяного загрязнения в широком интервале его толщины, расхода и цены жидкого азота.

Для оценки размера ущерба от загрязнения земель разливом нефти использовалась «методика определения размера ущерба, нанесенного окружающей среде, в результате антропогенной нагрузки», утвержденная государственным комитетом Российской Федерации по охране окружающей среды.

В результате сравнения полученных значений размера платы за ущерб от загрязнения земель нефтью и удельных затрат на их замораживание доказана экономическая эффективность разработанного криогенного устройства, которая тем выше, чем ценнее, в экономическом плане, загрязненный земельный участок и продолжительнее период его восстановления.

Разработанное криогенное устройство обладает и такими преимуществами, как экологическая безопасность; значительное повышение эффективности процесса очистки; создание взрывобезопасной атмосферы над местом разлива, образованной в результате испарения жидкого криоагента.

Кроме того, устройства, использующие криогенный способ, компактны, обладают малым энергопотреблением, просты в эксплуатации и поэтому позволяют создать мобильную систему замораживания на базе автомобильного транспорта, которую можно доставить в любые нужные места.