Снижение взрыво- и пожароопасности метаносодержащих отходов
На правах рукописи
МИРКАСИМОВА ВЕРОНИКА РУСТЕМОВНА
СНИЖЕНИЕ ВЗРЫВО- И ПОЖАРООПАСНОСТИ
МЕТАНОСОДЕРЖАЩИХ ОТХОДОВ
Специальность 05.26.03 – «Пожарная и промышленная
безопасность» (нефтегазовая отрасль)
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Уфа - 2014
2
Работа выполнена на кафедре «Промышленная теплоэнергетика» ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет».
Научный руководитель доктор технических наук, профессор Байков Игорь Равильевич
Официальные оппоненты: Колиниченко Анатолий Федорович доктор технических наук, профессор, ООО «Научно-технический центр «Промбезопас ность – Оренбург» / исполнительный директор Сафарова Валентина Исаевна доктор химических наук, профессор, ГБУ РБ «Управление государственного аналити ческого контроля» / начальник управления
Ведущая организация Уральский институт государственной противо пожарной службы МЧС России, г. Екатеринбург
Защита состоится «14» марта 2014 г. в 14.30 на заседании диссертацион ного совета Д 212.289.05 при Уфимском государственном нефтяном техниче ском университете по адресу: 450062, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул.
Космонавтов, 1.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Уфим ский государственный нефтяной технический университет».
Автореферат разослан « » января 2014 года.
Ученый секретарь диссертационного совета Ризванов Риф Гарифович
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность Резкий рост уровня потребления товаров и услуг, рост промышленного про изводства в последние десятилетия во всем мире привел к существенному увели чению объемов образования отходов. Одним из основных способов удаления отхо дов различного происхождения остается их депонирование в приповерхностной геологической среде, являющееся наименее затратным.
Как правило, совместно депонируются промышленные, бытовые и строи тельные отходы. При этом в теле полигонов возможно образование пустот, в кото рых скапливается биогаз с большим содержанием горючих компонентов. Наличие плотных включений способствует миграции биогаза в поры грунтов и последую щему их выходу в более поздних стадиях жизненного цикла. В связи с этим, дейст вующие и закрытые полигоны являются потенциальными объектами пожаро- и взрывоопасности. В настоящее время нет конкретных требований в законодатель стве к месту расположения полигонов, а размеры санитарно-защитных зон назна чаются исходя из условий рассеивания загрязняющих атмосферу веществ. Между тем при размещении полигонов должна учитываться потенциальная взрыво пожароопасность близлежащих объектов, например, предприятий нефтегазового комплекса, так как взрыв на полигоне может сдетонировать взрывы на ближайших предприятиях по подготовке и переработке углеводородного сырья.
Целью диссертационной работы является разработка схемы обращения с отходами, позволяющей извлекать материальные и энергетические ресурсы путем утилизации отходов и выделения метаносодержащего газа.
Для достижения цели решаются следующие задачи:
1) Экспериментальное исследование качественного и количественного соста ва биогаза на различных стадиях жизненного цикла полигонов.
2) Определение величины пожарного риска при взрыве метана на полигоне для зданий и обслуживающего персонала.
3) Разработка пошаговой математической модели, позволяющей оптимизи ровать параметры технологического комплекса по утилизации отходов и выделе нию метаносодержащего газа.
4) Обоснование технологической схемы утилизации отходов, снижающей взрыво- и пожароопасность полигонов при выделении метаносодержащего газа.
Научная новизна 1) Установлено, что выбросы метаносодержащего газа, имеющего взрыво пожароопасные концентрации, происходят на всех стадиях жизненного цикла по лигонов, включая стадию накопления и пострекультивационный период. Доказано, что в период эксплуатации полигона на последней стадии концентрации метана не уменьшаются по сравнению со штатным режимом эксплуатации, характеризую щимся максимальными концентрациями.
2) Установлено, что расположение полигонов по депонированию отходов и размеры санитарно-защитных зон должны определяться для каждого полигона от дельно с учетом наличия вблизи потенциально взрывопожароопасных объектов.
3) Разработан пошаговый алгоритм расчета, позволяющий оптимизировать параметры технологического комплекса по утилизации отходов и выделению ме таносодержащего газа.
Практическая значимость Разработанная методика расчета технологического комплекса по утилизации отходов с выделением метаносодержащего газа была применена для обоснования эффективности полигона с совместным размещением бытовых и промышленных отходов.
Результаты исследований используются в учебном процессе Уфимского го сударственного нефтяного технического университета при подготовке инженеров по специальности 140104 «Промышленная теплоэнергетика».
Полученные результаты исследований могут быть использованы при разра ботке государственных экологических программ территориальных подразделений, доработке нормативных документов, регламентирующих обращение с отходами, а также при обосновании эффективного и экологически чистого способа обращения с отходами различного происхождения.
Методы исследования В процессе выполнения работы использовались аналитические, эксперимен тальные, статистические и численные методы.
На защиту выносятся:
результаты экспериментальных исследований состава метаносодержа 1) щего газа на полигонах в зависимости от стадии жизненного цикла;
оценка рисков взрывопожароопасности полигонов, находящихся вбли 2) зи предприятий нефтегазового комплекса;
пошаговый алгоритм расчета обоснования технологического комплек 3) са по утилизации отходов;
схема технологического комплекса по утилизации отходов различного 4) происхождения.
Апробация работы Основные положения диссертационной работы докладывались и обсужда лись на всероссийской научно-практической конференции «Инновации и наукоем кие технологии в обеспечении промышленной, пожарной и экологической безо пасности» (г. Уфа, 2008 г.), международной учебно-научно-практической конфе ренции «Трубопроводный транспорт – 2009» (г. Уфа, 2009 г.), IV научно практической конференции «Промышленная безопасность на взрывоопасных и химически опасных производственных объектах» (г. Уфа, 2010 г.).
Публикации Основное содержание диссертации опубликовано в 9 работах, из них 4 ста тьи опубликованы в ведущих рецензируемых журналах в соответствии с перечнем ВАК Минобразования и науки РФ.
Структура и объем диссертации Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выво дов, списка использованных источников из 66 наименований, содержит 252 стра ницы машинописного текста, включая 42 рисунка и 64 таблицы.
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении раскрыта актуальность выбранной темы диссертационной рабо ты, сформулированы цели, задачи исследования и основные положения, выноси мые на защиту, раскрыта научная новизна и практическая значимость полученных результатов.
В первой главе рассмотрены основные работы и публикации по проблемной области диссертационного исследования отечественных и зарубежных авторов:
Зайнуллина Х.Н., Шаимовой А.М., Насыровой Л. А., Ягафаровой Г. Г., Черп О.М., Персона М., Джонсона О., Нимберополоса Н. Было установлено, что основным способом обращения с отходами в нашей стране является их депонирование в при поверхностной геологической среде. Сравнительные способы обращения с отхода ми в различных странах приведены на рисунке 1.
90 Депонирование Сжигание % Биологическая утилизация отходов 10 Переработка Рисунок 1 - Сравнительные способы обращения с отходами в различных странах Самый дешевый способ обращения с отходами в нашей стране не противоре чит существующим законодательным нормам и заложен в технологическом регла менте. Но существующий технологический регламент не учитывает всех негатив ных воздействий полигонов при складировании отходов, в-частности, их взрыво пожароопасности. Санитарно-защитная зона назначается только с учетом рассеи вания выбросов загрязняющих веществ. По результатам анализа статистических данных установлено, что более 80 % действующих полигонов на территории Рес публики Башкортостан были образованы в 50-е, 60-е гг. прошлого века, в годы бурного развития нефтеперерабатывающего комплекса. Складирование отходов производилось иногда совместно с отходами нефтепереработки. Поэтому необхо димо изучить влияние наличия углеводородных отходов на степень взрыво пожароопасности полигонов. На рисунке 2 представлена модель совместного раз мещения бытовых и промышленных углеводородсодержащих отходов.
Метан Углеводородные Бытовые отходы отходы Рисунок 2 - Модель полигона с совместным размещением отходов различно го происхождения Наличие бытовых отходов обусловливает метаногенез органических отходов.
Выделение метана происходит с различной интенсивностью в зависимости от сро ка эксплуатации полигона, который делится на пять стадий: 1 - адаптационный, в котором практически не происходит выделения метана (от 2 до 7 лет);
2 – экспо ненциального развития, в котором происходит активное выделение метана (от до 17 лет);
3 – стабилизационный, в котором происходит постоянный выход мета носодержащего газа с неизменной концентрацией метана (от 25 до 30 лет с момен та закрытия полигона);
4 – этап затухания, характеризуемый снижением потока биогаза до безопасных концентраций по метану;
5 – стадия биологической инерт ности, характеризуемая минимальным выходом биогаза с низкими концентрация ми метана. Кроме того, в зависимости от плотности промышленных углеводород ных отходов происходит миграция метана в вертикальном или горизонтальном на правлении. При наличии внешнего источника зажигания и в зависимости от кон центрации метана происходит взрыв и возгорание углеводородных отходов. Ток сичность образующихся продуктов горения зависит от видов отходов. Необходимо определить взрывопожароопасные концентрации метаносодержащего газа в усло виях действущих промышленных полигонов.
По результатам сопоставительного анализа наиболее распространенных спо собов обращения с отходами, таких как депонирование на полигонах, депонирова ние на полигонах после прессования, механобиологическая переработка разделен ных отходов, механобиологическая переработка смешанных отходов, сжигание, было установлено, что наименьший остаточный объем отходов, размещаемых на полигонах, получается при сжигании и при механобиологической переработке раз деленных отходов (рисунок 3).
400 Сокращение объема отходов, % 250.Затраты, руб/м 200 50 0 Депонирование Депонирование после Механобиологическая Механобиологическая Сжигание прессования переработка переработка раздельных отходов смешанных отходов Стоимость, руб/м3 Сокращение объёма отходов, % Рисунок 3 – Сопоставление удельной стоимости утилизации и сокращения объёма отходов при различных способах обращения Во второй главе представлены экспериментальные исследования качествен ного и количественного состава биогаза на различных стадиях жизненного цикла полигонов и влияние горючих компонентов, содержащихся в биогазе, на уровень взрывопожароопасности полигона.
Промышленные полигоны для депонирования отходов производства состоят из промышленных отходов и бытовых, которые являются неотъемлемой частью любого производства. Органическая часть отходов при длительном хранении под вергается биосинтезу с выделением горючего газа – метана. Основным источником зажигания является внешний фактор.
Экспериментальные исследования проведены на нескольких полигонах, на ходящихся на различных стадиях жизненного цикла и характеризующихся различ ным составом размещаемых отходов.
Полигон № 1.
1.
Полигон действует и эксплуатируется с 2001 г. Ежегодное поступление отхо дов составляет 534 тыс. м3/год. Труб для отвода биогаза и отбора проб нет.
Закрытый для использования полигон № 2, сооруженный примерно в 2.
50-х годах прошлого века для захоронения промышленных и бытовых отходов.
Особенностью этого полигона является наличие в нем отходов нефтеперера ботки близлежащего предприятия по подготовке и переработке углеводородного сырья. Состав отходов предприятия представлен в таблице 1. После закрытия по лигона для практического использования началось извлечение из отходов углево дородного сырья. На рисунке 4 представлен котлован, в котором виден пласт сме сей углеводородов. На основании приведенных результатов в главе 1 можно сде лать предположение, что при достижении взрывоопасной концентрации метана в воздушной среде в 5-15 об. % и в случае появления источника зажигания возможно возгорание углеводородных отходов. При пожаре будут выделяться токсичные ве щества в виде продуктов горения.
Таблица 1 – Химический состав горючих отходов предприятия по подготовке и переработке углеводородного сырья Физико-химические свойства отхода Отходообразующий Наименование вида Класс Содержание вид деятельности, Агрегатное Наименование отхода опасности компонентов, процесс состояние компонентов % 1 2 3 4 68 5 Медь 0, Свинец 0, Кадмий 0, Цинк 0, Марганец 0, Хром 0, Ремонт и очистка Кобальт 0, Отходы от очистки технологического Никель 0, аппаратов и оборудо- оборудования на Твердый Железо 6, вания нефтеперерабаты Натрий 0, вающем заводе Калий 0, Кальций 0, Нефтепродукты 0, Сера общ. 1, Алюминий 4, Кремний 21, Продолжение таблицы Физико-химические свойства отхода Отходообразующий Наименование вида Класс Содержание вид деятельности, Агрегатное Наименование отхода опасности компонентов, процесс состояние компонентов % 1 2 3 4 68 5 Ремонт и очистка Кислород 34, Отходы от очистки технологического Смолистые вещест- 9, аппаратов и оборудо- оборудования на Твердый ва (по толуолу) вания нефтеперерабаты Вода 20, вающем заводе Оксид меди 0, Оксид свинца 0, Оксид кадмия 0, Ремонт и чистка Оксид цинка 0, аппаратов, оборудо- Оксид марганца 0, вания по переработ- Оксид кобальта 0, Шлам пирофорных ке углеводородного Оксид никеля 0, отложений в аппаратах Твердый сырья на нефтепе- Оксид железа 70, и оборудовании рерабатывающем Нефтепродукты 11, заводе, химическом Сера общая 0, заводе Оксид молибдена 0, Оксид ванадия 0, Углерод 13, Вода 3, Нефтепродукты 38, Алюминия оксид 1, Очистка сточных Кремния оксид 3, Нефтеотходы после вод на очистных Шлам Железа оксид 3 0, очистки сточных вод сооружениях Влага 55, Сера сульфатная 0, Оксиды металлов 0, Нефтеотходы различ ных производств, неф Нефтепродукты 69, теотходы после зачи- Чистка резервуаров, Шлам Вода 3 12, стки емкостей, резер- емкостей Мехпримеси 17, вуаров (отходы смесей нефтепродуктов) Пласт смесей углеводородов Рисунок 4 – Вид котлована по добыче углеводородного сырья Полигон № 3.
3.
Для сопоставления рассматриваются полигоны с меньшими объемами угле водородсодержащих отходов. Полигон действует и эксплуатируется с 2005 г. Еже годно на полигон поступает 130 тыс.м3 отходов.
Рекультивированный полигон № 4.
4.
Начало эксплуатации полигона – с 40-х годов прошлого века. Послойная изоляция не производилась, отходы распределялись хаотично. Существовали очаги возгорания. Полигон закрыт в 2004 г., а в 2006-2007 г. - рекультивирован. В отли чие от других полигонов при рекультивации была построена газоотводная система с колодцами.
На рисунках 5, 6 представлены карты полигонов с указанием мест отбора проб биогаза и атмосферного воздуха.
а) Полигоны № 1 и 2 с обозначением б) Полигоны № 1 и 2 с обозначением мест измерений прибором «Полар» мест отбора проб атмосферного воздуха Рисунок 5 – Карта полигонов № 1 и а) Полигон № 3 с обозначением мест от- б) Рекультивированный полигон № 4 с бора проб биогаза и атмосферного воз- обозначением мест отбора проб биога духа за и атмосферного воздуха Рисунок 6 – Карта полигонов № 3 и По результатам экспериментального исследования состава биогаза установ лено, что практически на всех этапах жизненного цикла полигонов, включая пер вый – адаптационный и четвертый – затухания, происходит выброс метана. Кон центрация метана зависит от видов складируемых на полигоне отходов, способа организации их захоронения и этапа жизненного цикла. В местах выхода биогаза из тела полигона концентрация метана в воздушной среде составляет от 1,24 до 41105 мг/м3, что является пожаровзрывоопасной. В атмосферном воздухе полигона концентрации метана составляют от 3,44 до 12221 мг/м3. Особо необходимо отме тить, что самые большие концентрации метана наблюдались на вскрытом полигоне № 2, находящемся по классификации в стадии затухания.
Результаты анализа проб биогаза и атмосферного воздуха на полигонах пред ставлены в таблице 2, 3, 4, 5.
Таблица 2 - Результаты анализа проб биогаза, отобранных на полигонах Полигон № 1 в рабочем режиме Содержание газовых компонентов в об. % на Содержание, г/м поверхности полигона Опыт СН4 СО О2 SO2 Н2S NO NOх 33,3 (перегрузка датчика) Min 0 9,3 0 0 0 33,3 (перегрузка датчика) т. 1 Max 24 20,6 3 9 13 13, 33,3 (перегрузка датчика) x 16 15 1,5 5 8 Min 3,84 2 19,1 4 6 10 т. 2 Max 26,5 7 20,7 7 9 14 x 10,5 4 20,4 6 7 11 Полигон № 2 закрытый для использования Содержание газовых компонентов в об. % на Содержание, г/м поверхности полигона Опыт СН4 СО О2 SO2 Н2S NO NOх Min - 1 20,9 7 7 10 т. 3 Max - 1 20,9 7 7 11 x - 1 20,9 7 7 11 Полигон № 3 в рабочем режиме Содержание газовых компонентов в об. % на Содержание, г/м поверхности полигона Опыт СН4 NOх СО О2 Н2S SO2 NO CO Min 7,08 2 0 18,3 0 1 1,5 т. 1 Max 14,5 6 1 20,2 2 4 1,5 x 9,66 4 1 19,7 0 2 1,5 Таблица 3 - Результаты анализа проб метана, отобранных на полигонах Содержание метана, мг/м Полигон № 1 Полигон № т. 1 т. 2 т. 3 т. 1 т. 2 т. 2,19 2,28 3,69 40409 67 2,21 2,33 3,70 40352 67 2,29 2,38 3,70 41105 71 2,75±0,63 мг/м3 13711±3153 мг/м Таблица 4 - Результаты анализа проб атмосферного воздуха, отобранных на полигонах Содержание, мг/м3 ПДК Определяемый мг/м Действующий полигон № 3 Полигон № 4 после рекультивации ингредиент т. 1 т. 2 т. 3 т. 1 т. 2 т. 50 г/м Метан 3,44±0,79 23,62±5,43 32,70±7,52 1,28±0,30 1,34±0,31 1,24±0, Этан 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 Этилен 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 Пропан 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 Пропилен 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 Изобутан 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 Бутан 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 Бутилен 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 Изопентан 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 Пентан 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 Таблица 5 – Результаты анализа проб атмосферного воздуха, отобранных на действующем полигоне № Концентрация, мг/м Определяемый компонент т. 4 т. Проба №3 Проба №10 Проба №2 Проба № Метан 74,44±17,12 532,26±122, 12221* 3623, Этан 1,0 1,0 1,0 1, Этилен 1,0 1,0 1,0 1, Пропан 1,0 1,0 1,0 1, Пропилен 1,0 1,0 1,0 1, Изобутан 1,24±0,29 1,0 1,0 1, Бутан 1,0 1,0 1,0 1, Бутилен 1,0 1,0 1,0 1, Изопентан 1,0 1,0 1,0 1, Пентан 1,0 1,0 1,0 1, *- выше верхнего диапазона измерений методики ПНДФ 13.1:3.23-98 Методика выполнения измерений массовых концентраций предельных углеводородов С1-С5 и непредельных углеводородов (этана, пропена, бутенов) в атмо сферном воздухе рабочей зоны и промышленных выбросов методом газовой хроматографии.
В соответствии с «Рекомендациями по расчету образования биогаза….» по ве роятности возникновения опасных явлений полигоны делятся на пять категорий:
безопасные, потенциально опасные, опасные с низким содержанием СО2, опасные с высоким содержанием СО2, пожаро- и взрывоопасные. Категории обследованных полигонов по степени опасности представлены в таблице 6.
Таблица 6 – Степень опасности и содержание метана на полигонах № поли- Срок эксплуатации Содержание Содержание Степень опасности поли метана, г/м гона полигона, лет метана, об. % гона Опасный 1 12 26,5 3, Пожаровзрывоопасный 2 47 41,1 6, Опасный 3 8 14,5 2, безопасный 4 73 0,001 0, Как видно из таблицы, наименьшие концентрации метана наблюдаются на ре культивированном полигоне № 4, находящемся в стадии затухания. При рекульти вации на полигоне была проложена газоотводная система для отвода биогаза в ат мосферу через систему трубопроводов и колодцев, что явилось эффективным сред ством для снижения концентрации метана и, соответственно, пожароопасности.
Данный способ является наиболее приемлемым для предотвращения пожаров на уже существующих полигонах. Устройство газоотводящих систем перед прове дением рекультивации полигонов необходимо прописать в нормативных докумен тах, регламентирующих деятельность полигонов.
Самые большие концентрации метана в воздушной смеси наблюдаются на по лигоне № 2, по классификации находящемся также в стадии затухания. Особенно стью данного полигона является содержание в нем отходов нефтепереработки. На личие плотных элементов в отходах способствовало миграции метана, выделяемо го при разложении, в поры грунта под фильтратом. Вскрытие верхних горизонтов тела полигона обусловило более интенсивный выход метана из-под фильтрата.
Вследствие высоких концентраций метана полигон № 2 является пожаровзрыво опасным объектом. Поэтому производится оценка рисков от потенциального взры ва метана на полигонах № 1 и № 2, находящихся в сопоставимых условиях.
В третьей главе рассчитаны риски при возможных взрывах метана на поли гонах № 1 и № 2, так как они по классификации относятся к опасным и взрыво пожароопасным. Расчет произведен согласно федеральным нормам и правилам в области промышленной безопасности и с помощью программы ПВ-Безопасность Технософт. На рисунке 7 показаны графики изменения избыточного давления взрывной волны в зависимости от расстояния.
Избыточное давление взрыва облака ТВС, Па 0 80 130 180 230 280 330 380 430 480 530 580 630 680 730 780 830 880 930 Расстояние от центра взрыва, м Полигон № 1 Полигон № 2 Комплекс Рисунок 7 – Сопоставление динамики изменения избыточного давления при взрыве на полигонах № 1 и № 2 и взрыве газоаккумулирующего оборудования на комплексе по утилизации отходов Детерминированные критерии разрушения зданий избыточным давлением приведены в таблице 7.
Таблица 7 – Детерминированные критерии поражения полигона № 1, 2 и комплекса по утилизации отходов Избыточное Радиус разрушения, м Обозначение Степень поражения давление, на рисунке Полигон № 1 Полигон № 2 Комплекс кПа Сильное повреждение 100 32,09 62,66 12, всех зданий Среднее повреждение зданий с массовыми 70 47,28 92,35 18, обвалами Средние повреждения 28 81,05 158,32 31, промзданий Продолжение таблицы Избыточное Радиус разрушения, м Обозначение Степень поражения давление, на рисунке Полигон № 1 Полигон № 2 Комплекс кПа Умеренные поврежде ния зданий (поврежде ние внутренних пере- 14 236,42 461,76 91, городок, рам, дверей и т.п.) Частичное разрушение 2 472,84 923,54 182, остекленения Полигон № 10-4 10- 10-5 10- 10-6 10- 10-6 Полигон № Рисунок 8 – Ситуационный план сценария аварии со взрывом полигонов ме таносодержащих отходов № 1, 2 и взрыва газоаккумулирующего оборудования комплекса по утилизации отходов с указанием территориального потенциального риска Как видно из таблицы 7 и рисунка 8, часть зданий находится в зоне умерен ных повреждений от взрыва на полигонах. Для обеспечения взрывоустойчивости ограждающих конструкций действующих зданий необходимо дополнительное по вышение прочности, что является неоправданно затратным мероприятием. Кроме того, в зоне риска (область слабых разрушений) находится факельное хозяйство предприятия по подготовке и переработке углеводородного сырья, разрушения на котором могут существенно усугубить аварийную ситуацию. Следовательно, для устранения потенциальной взрывопожароопасности полигона № 2 необходимо его рекультивировать с установкой газоотводящей системы, состоящей из труб и ко лодцев. Комплекс по утилизации отходов и выделению метаносодержащих газов позволил бы избежать более масштабной аварии со взрывом на полигонах №1, 2.
В технологическом регламенте по сооружению и эксплуатации полигонов размер санитарно-защитной зоны определяется по рассеиванию загрязняющих ве ществ в атмосферном воздухе. Но расположение полигонов вблизи предприятий по подготовке и переработке углеводородного сырья, характеризующихся высокой потенциальной взрывопожароопасностью, должно накладывать дополнительные ограничения на выбор площадки по депонированию отходов и размеры их защит ной зоны. Даже небольшой взрыв на полигоне может сдетонировать более мас штабные взрывы и пожары на пожаровзрывоопасных предприятиях. Поэтому рас положение полигона и размер защитной зоны необходимо оценивать с учетом рис ков для близлежащих предприятий, определяемых в зависимости от планируемых объемов депонирования отходов.
В четвертой главе разработана пошаговый алгоритм расчета технологиче ского комплекса по утилизации отходов с выделением метаносодержащего газа.
Алгоритм расчета представлен на рисунке 9.
Предлагается на полигоне организовать систему разделения отходов с извле чением вторичных материальных ресурсов из неорганической части отходов и из влечением метаносодержащего газа из органической части отходов.
Технологическая схема комплекса представлена на рисунке 10. Отходы по ступают в здание сортировки, проходят линию сортировки, где разделяются на вторичные материальные ресурсы и на органические отходы.
Отсортированные органические отходы поступают и накапливаются в тече ние суток в подогревателе - выдерживателе 2 объемом 7000 м3 (рисунок 10), где осуществляется нагрев биомассы до требуемой температуры сбраживания в 55С и доведение до необходимой влажности, с помощью подмешивания определенного количества горячего теплоносителя в зависимости от времени года. В период пере качивания биомассы в метантенки из первого подогревателя-выдерживателя, вто рой заполняется органическими отходами и смешивается с горячей водой и наобо рот.
Суточная доля сухого вещества Суточная масса Масса органического вещества Объем влажных органических отходов в зимний период Объем влажных органических отходов в летний период Выбор конструкции метантенка Расчет тепловых потерь Конструктивные характеристики Определение количества ежегодно вырабатываемого биогаза Определение количества метантенков и его объемов Выбор оптимального температурного режима сбраживания мезофильный психофильный термофильный Подбор основного технологического оборудования Подбор подогревателя-выдерживателя Подбор центрифуги Подбор газгольдера Подбор компрессора Подбор вспомогательного оборудования Определение типа и размера ТОА Подбор насосов системы отопления метантенков Подбор системы перемешивания Подбор насосов для перекачки субстрата Расчет теплопотребления, водопотребления, электропотребления Расчет стоимости комплекса Рисунок 9 – Алгоритм расчета технологического комплекса по утилизации отходов с выделением метаносодержащего газа биогаз вода 1 3 Т2.1 Т1. Т1. пищевые отходы Ду Ду Ду Ду Ду 2 3 Ду 150 Ду обезвреженные отходы Ду 3 3 Ду 65 Ду 1 - Котельная 2 - Подогреватель-выдерживатель 3 - Метантенк 4 - Компрессор 5 - Газгольдер система теплоснабжения, 6 - Центрифуга обратный трубопровод система теплоснабжения, подающий трубопровод система подачи отходов система выхода биогаза 3 3 система выхода обработанных отходов Рисунок 10 – Технологическая схема установки по утилизации отходов с выделением метаносодержащего газа В период перекачивания биомассы в метантенки из первого подогревателя выдерживателя, второй заполняется органическими отходами и смешивается с го рячей водой и наоборот. Цикл работы одного подогревателя-выдерживателя со ставляет 1 сутки. Метаносодержащие отходы после подогревателя-выдерживателя перекачиваются с помощью фекальных насосов с режущим механизмом в метан тенки 3.
Поскольку комплекс рассчитывается на большие объемы отходов, то при нимается метантенк вместимостью 7000 м3. Количество метантенков выбирается в зависимости от объема поступающего сырья.
Для обеспечения надежного и ускоренного технологического процесса в емкостях необходимо обеспечивать подогрев субстрата и его перемешивание.
Размещение такого оборудования возможно только в стационарных емкостях, обеспечивающих прочность конструкции при навешивании дополнительного оборудования. С учетом этих требований и по результатам расчета теплопотерь через ограждающии конструкции предлагается использовать наземные железобе тонные резервуары. С целью ускорения процесса брожения и уменьшения коли чества используемых емкостей добавляются инициирующие метанобразующие бактерии.
Полный цикл состоит из трех периодов: загрузки, рабочего периода сбра живания, периода очистки резервуара и длится 26 дней. Для поддержания одно родности бродящей массы предусмотрена система перемешивания с помощью миксеров, устанавливаемых в каждом резервуаре.
Для поддержания заданного температурного режима жидкий субстрат по догревается с помощью теплообменников, установленных на внутренней стенке каждого метантенка. В теплообменниках циркулирует горячая вода, нагретая в котельной 1 за счет сжигания биогаза, а при его недостатке – за счет природного газа. Из метантенков биогаз перекачивается с помощью компрессора 4 в газголь деры 5 объемом 5000 м3 до небольшого избыточного давления в 20 кПа.
Перебродившая биомасса после метантенков перекачивается с помощью на сосов с режущим механизмом в центрифугу 6, где происходит разделение жидкой и сухой фракции. После центрифуги объем отходов сокращается на 80-90%.
Фильтрат очищается и используется как технологическая вода для собственных нужд. Структура нормативного теплопотребления всего комплекса показана на рисунке 11.
отопление технологичес- 24,58% кий расход 39,59% ГВС 0,53% вентиляция потери по 30,45% тепловым сетям 4,85% Рисунок 11 – Структура нормативного теплопотребления всего комплекса На рисунке 12 представлено сопоставление нормативной потребляемой теп ловой энергии всего комплекса в зависимости от температуры наружного воздуха с вырабатываемой энергией за счет метаносодержащего газа. За счет биогаза мо жет быть покрыто только 62% потребности в тепловой энергии. Поэтому для на дежного теплоснабжения комплекса необходимо дополнительное использование природного газа.
6000 4000 Гкал/мес С 2000 - - - 0 - янв фев мар апр май июн июл авг сен окт ноя дек Расход на собственные нужды, Гкал Вырабатываемое тепло за счет биогаза, Гкал tн, С Рисунок 12 – Сопоставление потребляемой комплексом тепловой энергии с вырабатываемой за счет биогаза Суммарные капитальные вложения ориентировочно составили 522 млн.руб., эксплуатационные расходы - около 34,6 млн.руб. Дополнительный экономиче ский эффект в 40 млн.руб. можно получить при реализации углеродных единиц на рынке парниковых газов. Это позволит снизить срок окупаемости комплекса до 10 лет. Структура капитальных затрат представлена на рисунке 13. Как видно, ос новную долю затрат составляет строительство наземных железобетонных резер вуаров.
трубы из сетчатого прокладка 18 фекальных полиэтилена газопровода 2 газгольдера с насосов с 0,04% 0,05% 16 миксеров монтажом монтажом строительство с монтажом 0,12% 1,54% котельной 1,92% 4,04% сантехнические 2 компрессора с работы монтажом 7,63% 0,43% система отопления зданий 3,14% строительство железобетонных резервуаров 81,09% Рисунок 13 - Структура капитальных затрат комплекса по утилизации отходов
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ 1) По результатам экспериментальных исследований состава биогаза в воз душной смеси, проведенных на нескольких полигонах, установлено, что в местах выхода биогаза из тела полигона концентрация метана составляет от 1,24 до 41105 мг/м3, что превышает пожаровзрывоопасные концентрации (5-15 об. %).
Полученные результаты подтверждают, что полигоны являются потенциально пожароопасными объектами.
2) Расчеты рисков от взрыва метана на полигоне показывают, что нахожде ние в зоне воздействия ударной волны других взрывопожароопасных объектов может привести к дальнейшим неконтролируемым разрушениям. Поэтому при назначении санитарной охранной зоны полигонов необходимо учитывать риски поражения зданий и сооружений близлежащих объектов.
3) Разработан пошаговый алгоритм расчета, позволяющий оптимизировать параметры технологического комплекса по утилизации отходов и выделению ме таносодержащего газа.
4) Для ликвидации потенциальной взрывопожароопасности полигонов не обходимо практиковать строительство комплексов по утилизации отходов и вы делению метаносодержащего газа. Утилизация биогаза с метаном, являющимся основным взрывчатым веществом на полигоне, является основным эффективным способом предупреждения взрывов. Произведена оценка экономической, эколо гической и энергетической эффективности технологического комплекса.
Содержание работы опубликовано в 9 научных трудах:
1 Шайбакова (Миркасимова), В.Р. Исследование выбросов парниковых газов на газотранспортных предприятиях / В.Р. Шайбакова, О.В. Смородова, С.Н. Коста рева // Инновации и наукоемкие технологии в обеспечении промышленной, по жарной и экологической безопасности: материалы научно-практической конфе ренции. – Уфа: Изд-во УГНТУ, 2008. – С. 103-106.
2 Шайбакова, В.Р. Методы оценки надежности оборудования нефтеперерабаты вающей промышленности / В.Р. Шайбакова, М.В. Елисеев, И.Р. Байков // Трубо проводный транспорт – 2009: материалы V Международной учебно-научно практической конференции. – Уфа: Изд-во УГНТУ, 2009. – С.252-254.
3 Шайбакова, В.Р. Энергосбережение при эксплуатации факельного хозяйства / В.Р. Шайбакова, С.В. Китаев // Трубопроводный транспорт – 2009: материалы V Международной учебно-научно-практической конференции. – Уфа: Изд-во УГНТУ, 2009. – С. 259-261.
4 Шайбакова, В.Р. Биогазовая установка для переработки отходов / В.Р. Шайбако ва, Р.А. Молчанова, И.Р. Байков // Трубопроводный транспорт – 2009: материалы V Международной учебно-научно-практической конференции. – Уфа: Изд-во УГНТУ, 2009. - С. 284-285.
5 Шайбакова, В.Р. Основные проблемы биогаза. Перспективы использования био газовых установок / В.Р. Шайбакова // Промышленная безопасность на взрыво опасных и химически опасных производственных объектах: материалы IV науч но-практической конференции. – Уфа: Изд-во УГНТУ, 2010. –С. 260-263.
6 Шайбакова, В.Р. Повышение эффективности эксплуатации факельного хозяйст ва на нефтегазовых промыслах / В.Р. Шайбакова, С.В. Китаев // Транспорт и хра нение нефтепродуктов и углеводородного сырья. – 2011. – № 3.– С. 30-32.
7 Шайбакова, В.Р. Экологическая и промышленная безопасность при реализации программ энергосбережения / В.Р. Шайбакова, М.В. Елисеев // Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов. – 2012. – №4. – С. 186 – 191.
8 Шайбакова, В.Р. Система управления отходами в Российской Федерации / В.Р.
Шайбакова, Н.Х. Абдрахманов, Р.А. Шайбаков, Д.А. Шавалеев // Защита окру жающей среды в нефтегазовом комплексе. – 2013. – №7. – С. 5-10.
9 Шайбакова, В.Р. Система управления промышленными стоками и отходами производства / В.Р. Шайбакова, Н.Х. Абдрахманов, Р.А. Шайбаков, Д.А. Шавале ев // Электронный научный журнал "Нефтегазовое дело". – 2013. – №1. – С. 498 509. URL: http://www.ogbus.ru/authors/ShaybakovaVR/ShaybakovaVR_1.pdf.