ЗМІСТ Основи розроблення регіональної політики ресурсозбереження Путренко В. В. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 Використанння промислових відходів – один зі шляхів заощадження природних корисних копалин Атамась Г. М., Столяренко Г. С. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5
Ресурсо- та енергозберігаючі аспекти переробки олій на якісні біосинтетичні матеріали Кириченко В. І., Кириченко Л. М. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 Электрокаталитическая инсификация горения газообразного топлива Столяренко Г. С., Вязовик В. Н., Водяник О. В., Фролов К. І. . . . . . . . 14 Енергоефективність – гарантія екологічної безпеки Третьяков С. В. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
17
Підвищення ефективності та ресурсозбереження виробництва розбавленої нітратної кислоти Столяренко Г. С., Коржик Л. В., Соломка С. М. . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 Автономний біоенергетичний центр для вироблення електричної та теплової енергії й одержання органічних добрив з відходів сільського господарства Зінченко М. Г., Кравченко С. О., Тинда О. А. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
ОСНОВИ РОЗРОБЛЕННЯ РЕГІОНАЛЬНОЇ ПОЛІТИКИ РЕСУРСОЗБЕРЕЖЕННЯ Путренко В. В. кандидат географічних наук, науковий співробітник Інститут географії НАН України Побудова ринкової економічної системи в Україні потребує підвищення конкурентоспроможності промислової продукції на міжнародному ринку, збільшення ресурсної безпеки країни, впровадження інноваційних технологій, підйому економічної ефективності регіональних господарських комплексів. Цілеспрямоване підвищення ефективності використання ресурсів у регіоні потребує розроблення засад державної регіональної політики у сфері ресурсозбереження. Тільки реалізація управління на основі цільових програм у галузі ресурсозбереження може забезпечити прогнозовані позитивні зрушення у структурі господарства регіону, які приведуть до збалансованішого та менш ресурсозат-ратного шляху господарського розвитку. При розробленні засад регіональної політики ресурсозбереження провідна роль належить суспільно-географічним дослідженням територіальної організації та речовинних потоків господарських комплексів регіонів. Регіональна політика ресурсозбереження – це організаційно-правова, економічна, соціальна, культурно-освітня, екологічна та управлінська діяльність держави, спрямована на раціональне та ощадне використання природних ресурсів території. Регіональна політика ресурсозбереження є однією з галузей загальної регіональної політики. Метою регіональної політики ресурсозбереження є підвищення рівня ефективності використання ресурсів у суспільно-територіальному комплексі (СТК) на основі інноваційної організації матеріально-речовинних потоків та зниження рівня ресурсоємності господарства регіону. Завданнями регіональної політики ресурсозбереження є: вибір пріоритетних напрямів ресурсозбереження у регіоні; розроблення регіональної програми ресурсозбереження; організація структури управління та контролю за програмами ресурсозбереження; координація економічного, соціального, екологічного, науковотехнічного напрямів регіональної політики з метою прискорення процесу ресурсозбереження; створення умов для впровадження техніко-економічних заходів щодо підвищення ефективності використання ресурсів; трансформація господарського комплексу регіону в напрямі постіндустріального розвитку за рахунок інвестиційного та науковотехнологічного факторів.
2
Регіональна політика ресурсозбереження включає стратегічний та тактичний рівні управління. Стратегічний рівень управління у свою чергу включає загальні цілі прискорення ресурсозбереження: структурну перебудову СТК, поглиблення поділу праці з урахуванням глобалізації ринків, організацію замкнених циклів високотехнологічних виробництв, збільшення кількісної та якісної часток невиробничої сфери у структурі ВДВ. Тактичний рівень управління вирішує завдання локального прискорення ресурсозбереження за рахунок виконання інноваційних програм на рівні окремих адміністративних районів та підприємств. Регіональну політику ресурсозбереження реалізують на основі трьох груп важелів: правових, адміністративно-планових, економічних. Правові важелі регіональної політики ресурсозбереження є виключним пріоритетом держави, їх реалізують через законотворчу діяльність центральних органів влади та регіонального самоврядування. До правових важелів належать закони України, які регламентують діяльність у сфері ресурсозбереження та поводження з вторинними ресурсами, держстандарти, накази, нормативи використання ресурсів. На сьогодні прийнято закони України «Про енергозбереження» (1994), «Про відходи», «Вторинні ресурси», про держстандарт ресурсозбереження. На рівні СТК області найбільший вплив має встановлення нормативів використання природних ресурсів, які найбільше застосовують в енергозбереженні та водокористуванні. Адміністративно-планова група важелів являє собою найуживаніші напрями регіональної політики ресурсозбереження. Вона включає управління державним сектором, програмно-інвестиційну та науково-інноваційну складові. Управління державним сектором – найбільш багатогранний напрям при реалізації програми ресурсозбереження. До підприємств державного сектора належить більшість підприємств комунального господарства та забезпечення інфраструктури, які мають низьку економічну ефективність та значний відсоток зношення основних фондів. До основних шляхів здійснення політики ресурсозбереження у державному секторі слід віднести реструктуризацію, залучення інвестицій та позик, роздержавлення підприємств з метою створення конкурентних відносин. Програмно-інвестиційна група важелів складається з управління державними та приватними інвестиційними фондами, що включає визначення най-пріоритетніших напрямів інвестицій у реструктуризацію господарства, управління державними капіталовкладеннями, встановлення пільг та субсидіювання, залучення ПІІ. Науково-інноваційна група важелів включає управління науковоінноваційною діяльністю через координацію наукової діяльності в регіоні, створення технопарків, залучення прогресивних ресурсозберігаючих технологій, надання державної допомоги та пільг при впровадженні екологічно чистих технологій у приватному секторі. 3
Економічні важелі регіональної політики ресурсозбереження представлені регуляторними діями органів державної влади по керуванню ринковими відносинами в регіоні. Зарубіжний досвід свідчить про те, що вільне зростання цін у поєднанні з ринковими механізмами не можна розглядати як автоматичний стимулятор технологічних нововведень, які сприяють підвищенню ефек-тивності використання матеріальних і паливно-енергетичних ресурсів. У зв’язку з цим на перехідному етапі розвитку економіки важливою залишається контролююча роль держави. Основними важелями державного управління ресурсозбереженням у ринковій економіці є: податкове стимулювання за рахунок по-даткових пільг підприємствам, які знижують ресурсоємність виробництва, та податкових санкцій у разі перевищення норм споживання; пільгове кредитування та субсидіювання при виробництві екологічної продукції; нормування, квотування та цінове обмеження на ринку ресурсів для корегування ринкової кон’юнктури. Здійснення регіональної політики ресурсозбереження за допомогою цільових програм потребує створення допоміжних інформаційних систем для надання оперативної інформації та здійснення функції контролю. При здійсненні регіонального управління найоптимальнішою інформаційною системою є геоінформаційна (ГІС). З метою здійснення регіональної програми ресурсозбереження розроблення потребує ГІС ресурсозбереження – система збирання, зберігання, оброблення та аналізу просторової інформації для підвищення ефективності СТК та прискорення процесу ресурсозбереження. Метою ГІС ресурсозбереження є збирання, організація та аналіз просторової інформації, яка оцінює ефективність використання ресурсів регіону. Завданнями ГІС ресурсозбереження є: збирання просторової суспільно-географічної інформації з ресурсокористування у СТК; зберігання інформації у вигляді реляційних просторових баз даних з набором атрибутивної інформації; організація інформації у вигляді тематичних блоків з формалізованим набором функцій оброблення; аналіз інформації у вигляді побудови тематичних карт, формування просторових та атрибутивних запитів, застосування засобів ГІС-аналізу; допомога у прийнятті рішень щодо планування ресурсозберігаючих заходів у регіоні; динамічне оновлення інформації та контроль за виконанням програми ресурсозбереження; надання інформації для громадськості з метою прозорості державної політики управління та екологічного виховання за допомогою створення ГІС-сервірів.
4
Одержані результати мають вигляд підсумкових карт, графіків та звітів, які дають можливість відслідковувати динаміку обласних показників у територіальному розрізі та контролювати ефективність проведення програм ресурсозбереження. Проведення щорічного обстеження регіону за допомогою інструментарію ГІС ресурсозбереження дає змогу контролювати та корегувати регіональну програму ресурсозбереження, визначати нові тенденції розвитку при максимальній економії управлінських ресурсів. Таким чином, розвиток напряму регіональної політики ресурсозбереження є актуальним та необхідним інструментом зменшення ресурсоємності господарства регіону, який потребує детальної методичного розроблення на основі теорії та методології суспільної географії.
УДК 628.162 ВИКОРИСТАННЯ ПРОМИСЛОВИХ ВІДХОДІВ – ОДИН ЗІ ШЛЯХІВ ЗАОЩАДЖЕННЯ ПРИРОДНИХ КОРИСНИХ КОПАЛИН Атамась Г. М. асистент кафедри хімічної технології неорганічних речовин Столяренко Г. С. доктор технічних наук, професор, завідувач кафедри хімічної технології неорганічних речовин Черкаський державний технологічний університет Витрати на реалізацію природоохоронних програм і заходів потребують значних коштів. Однак протягом найближчих 5–10 років країна буде дуже обмежена у коштах, необхідних для поліпшення стану навколишнього природного середовища та забезпечення раціонального використання природних ресурсів. Тому необхідно визначити пріоритетні напрями та проблеми з метою комплексного використання сировини, енергоресурсів та здійснення програм комплексної переробки відходів. З цією метою, виходячи з реального екологічного стану території України, необхідно враховувати такі основні критерії й чинники, як впровадження наукоємних технологій, безвідходних ресурсозберігаючих технологій. Також доцільно обмежити використання природних корисних копалин, потреба в яких може бути задоволена внаслідок використання вторинних та відновлюваних ресурсів. 5
Розглядаючи роботу хімічного промислового підприємства, для досягнення поставленої мети слід звернути увагу на утилізацію цінних компонентів та подальшу їх переробку. Необхідність добування цінних металів, які використовують у високотехнологічних виробництвах, приводить до того, що у відпрацювання залучають так звані «техногенні родовища» – відходи, накопичені за тривалий час. Проблема розроблення ефективних технологій утилізації промислових шламів, що містять корисні елементи, є надзвичайно актуальною, оскільки кількість шламових накопичень на території України дуже велика, самі ж вони можуть бути токсичними для людини і, крім того, створюють серйозні проблеми для екології навколишнього середовища. Зокрема, відходи виробництва віскозного волокна, накопичені в кількості близько 1 млн т у м. Черкаси, містять до 5,5–6,8 % цинку, який є необхідним елементом у сучасній промисловості та сільському господарстві. Відходи виробництва віскозного волокна ВАТ «Черкаське хімволокно» - це шлами, що являють собою аморфні або дрібнокристалічні маси, які містять від 20 до 80 % води. У технології виробництва віскозного волокна для осад-ження віскози використовують сульфат цинку, який після процесу практично весь переходить у відходи. Шлами утворюються в результаті процесу нейтралізації кислих рідких відходів під час реакції: Са(ОН)2 + ZnSО4 = Zn(ОН)2↓ + СаSО4 Також можливе протікання реакції з недопаленим вапняком: 3ZnSО4+5 СаСО3+4Н2О =Zn3СО3(ОН)4↓ + 3СаSО4 + 2Са(НСО3)2 Істотним недоліком використання осаджувача вапняного молока є те, що утворений осад не підлягає переробці і його складують у спеціально відведених місцях – шламонакопичувачах. Отже, перспективним напрямом є одержання зі шламів сполук цинку саме у вигляді цинкового купоросу і повернення його у виробництво. Проаналізовано кілька варіантів вилуговування цинку з нерозчинних сполук із застосуванням реагентів різної природи (кислоти, луги) [1, 2]. Розроблена методика вилучення цинку зі шламу полягає в тому, що шлам обробляють розчином лугу. Одержаний розчин відокремлюють від нерозчинного осаду за допомогою вакуум-фільтру. Осад промивають водою. Фільтрат підкислюють розчином кислоти до рН 9–10. Одержану розведену суспензію гідроксиду цинку фільтрують, фільтрат відділяють, у концентровану суспензію гідроксиду цинку додають промивну воду. Рідину фільтрують, фільтрат відділяють, очищену концентровану суспензію гідроксиду цинку нейтралізують розчином сульфатної кислоти, розчин цинкового купоросу подають на упарювання і перекристалізацію. Введено стадію кислотного вилуговування нерозчинних залишків з одержанням розчину кальцієвої селітри, збагаченої мікроелементами [3]. Слід зазначити, що одержаний побічний продукт цієї технології кальцієва селітра відіграє ключову роль у формуванні кліткових стінок и мембран, поліпшує колір і якість плодів, тому особливо важливою є для швидкорослих культур. Кальцій не перерозподі6
ляється всередині рослин, тобто не переміщується від старого листя до молодого, тому ґрунт завжди має містити достатню кількість цієї речовини у доступній для рослин формі. Кальцій запобігає втратам при зберіганні та транспортуванні овочів та фруктів. На ринок України завозиться, як правило, три типи імпортної кальцієвої селитри: повністю водорозчинна кальцієва селітра для систем крапельного зрошення (відома під торговими марками Кальциніт (CalciNit) та Тессендерло), кальцієва селітра для відкритого ґрунту (відома під маркою N30, або Тропікоут) та кальцієва селітра для відкритого ґрунту з вмістом бору 0,2 % (відома під торговою маркою Нітрабор). На жаль, компанії, що поставляють вищезазначені марки селітри, наполягають на своїй ексклюзивності й унікальності. Саме ця ексклюзивність змушує їх встановлювати завищені ціни на свою продукцію. У той же час можна використовувати кальцієву селітру, одержану за наведеною технологією. На рис. 1 наведено технологічну схему процесу переробки цинковмісних шламів.
Рис. 1. Технологічна схема способу одержання цинкового купоросу та кальцієваї селітри: 1, 4, 12, 24 – реактор змішування; 2, 6, 9, 11, 13, 16, 17, 19, 20, 23, 25 – насос; 3, 7 – гвинтовий прес; 5, 15, 18, 22 – буферна ємність; 8 – реактор; 10 – флотатор; 14, 21 – піщаний фільтр з рухомим шаром
7
Першою стадією технологічної схеми є переведення Zn 2+ з нерозчинної форми у розчинну шляхом обробки лугом, оскільки шлам має рН=8. Процес відбувається під час реакції: Zn(OH)2 + 2 NaOH = Na2[Zn(OH)4]. Оскільки в шламі міститься до 8 % целюлози, також відбувається побічна реакція: (С6Н9О4ОН)n + nNaOH = (С6Н9О4ОNa)n + nH2O. Отже, в одержаному цинковмісному розчині спостерігається підвищений вміст органічних домішок, що надалі негативно впливає на якість готового продукту. Це спонукало провести дослідження, спрямовані на зниження вмісту органічних домішок у розчинах. Для окиснення складних органо-мінеральних комплексів, токсичних органічних мікродомішок успішно використовують озон, який дедалі активніше завойовує місце серед найефективніших окисників у різних технологічних процесах, що пов’язано зі зменшенням витрат на його одержання. Озон має окисно-відновний потенціал 2,07 В, що є в 1,52 раза вище, ніж у хлору, а його використання є відносно безпечним, оскільки озон є нестійкою сполукою і перетворюється на молекулярний кисень. З можливих методів одержання озону використовують бар’єрний розряд, електроліз, фотохімічний спосіб і високочастотне електричне поле. Створено і апробовано у лабораторних умовах установку для синтезу озону в генераторі озону бар’єрного типу, яка складається з двох електродів і пластини діелектрика (скла), розміщеного між ними. У зазорі між електродами продувалося повітря, яке нагніталося компресором. На електроди подавався змінний електричний струм високої напруги. Для визначення озону в газовій фазі застосовували йодометричний метод. Вимірювання і контроль концентрації озону здійснювали на виході з генератора озону та на виході з контактної ємності. Для контролю ефективності процесу зміни кількості органічних домішок обрано зміну величини ступеня очищення розчину за хімічним споживанням. Визначення ХСК проводили за дихроматним методом. Зниження вмісту орга-нічних домішок за показником ХСК після оброблення досягає 70,5 %. Таким чином, з відходів виробництва віскозного волокна можна одержати цінні компоненти – очищений цинковий купорос та кальцієву селітру, а також зменшити екологічне навантаження на навколишнє середовище. Література: 1. Деклараційний патент України 5760, МКИ С 22 В 19/34 Спосіб отримання цинкового купоросу / Г. С. Столяренко, В. О. Костигін, Т. І. Семененко, Н. М. Фоміна, Н. Г. Паранько, Г. М. Атамась, В. В. Трефянчин, Л. Г. Сандалова, Є. М. Сехін, А. П. Вілько. – № 20040806824; Заявл. 13.08.2004; Опубл. 15.03.2005, Бюл. № 3. 2. Деклараційний патент України 5759, МКИ С 22 В 19/34 Спосіб комплексної переробки цинковмісного шламу / Г. С. Столяренко, В. О. Костигін, 8
Н. М. Фоміна, Н. Г. Паранько, Г. М. Атамась, В. В. Трефянчин, Л. Г. Сандалова, Є. М. Сехін, А. П. Вілько. – № 20040806823; Заявл. 13.08.2004; Опубл. 15.03.2005, Бюл. № 3. 3. Деклараційний патент України 22213, МКИ С22В19/00 Спосіб отримання цинкового купоросу і кальцієвої селітри / Г. С. Столяренко, В. О. Костигін, Г. М. Атамась – №u200604768; Заявл. 28.04.2006; Опубл. 25.04.2007, Бюл. №5.
РЕСУРСО- ТА ЕНЕРГОЗБЕРІГАЮЧІ АСПЕКТИ ПЕРЕРОБКИ ОЛІЙ НА ЯКІСНІ БІОСИНТЕТИЧНІ МАТЕРІАЛИ Кириченко В. І. кандидат хімічних наук, доцент Кириченко Л. М. старший науковий співробітник Хмельницький національний університет Науково-дослідна лабораторія (НДЛ) композиційних матеріалів університету (працює з 1974 р.) накопичила значний досвід розв’язання актуальних проблем сучасного поліфункціонального матеріалознавства за двома напрямами: – проект технологічних основ комплексної переробки технічних олій на якісні біосинтетичні матеріали, у т. ч. й біопаливо; – проект створення нових антифрикційних твердофазних композитів (АФК) на основі фторопластів і вуглецево-волокнистих матеріалів (так званих флубонів), а також нанесення нанопокриттів на основі фторопластів на різні за природою поверхні. Запропонований нами проект переробки олій ставить за мету, спираючись на техніко-економічну доцільність і раціональність розроблених методів і технологій переробки олій: ріпакової (ріполу), соєвої генетично модифікованої (соєолу-гм) та рицинової (рицолу) як поновлювальної і екологічно безпечної сировини, системно і комплексно розв’язати ряд нагальних проблем, пов’язаних з ресурсо-, енерго- і екологозбереженням, і зокрема виробляти нові, якісні біосинтетичні продукти і матеріали широкого асортименту і призначення з визначальними властивостями для багатьох галузей промисловості: хімічної, нафтохімічної, пально-мастильної, фармацевтичної, побутової хімії. Визначальними особливостями цього проекту є: інноваційність, комплексність і системність науково-технічного підходу до переробки технічних олій на засадах хімічної модифікації їх молекулярних структур з одержанням нових біосинтетичних продуктів з визначеними властивостями. Проект несе в собі потужний потенціал інноваційного розвитку традиційного 9
і досить консервативного на сьогодні матеріалознавства багатьох галузей хімічного і нафтохімічного промислового комплексу, але в першу чергу галузі пально-мастильних матеріалів. Концептуальні підходи до розроблення методів і технологій хімічної модифікації технічних рослинних олій представлені схемою на рис. 1. Результати дослідження цієї проблеми переконують в необхідності диференційованого підходу до переробки деяких олій і їхніх композицій, зокрема: В загальній і функціонально недосконалій структурі олій [R – C(O) – O –CH2]2 – CH – O – C(O) – R умовно виділяють такі компоненти: вуглеводневі (R) в складі ацильних залишків R – C(O) –:
де: R в складі ацильних залишків: Rs – насичені, Ru – ненасичені; ріполу рицолу Г-рицолу Ru – від HОl, в соєолі – 32-35%, в ріполі – 55-60%: соєолу-гм – (CH2)7 – CH ═ CH – (CH2)7 – CH3; R' – від HLin, в соєолі – 52-57%, в ріполі – 25-30%: u – R'' – R (R ) a CH2 – O – C(O) – – Ru (Rs) u – R's u s – (CH2)7 – (CH ═ CH – CH2)2 – (CH2)3 – CH3; | – R'u (Rs) – R''u – R's R''u – від HRic, в рицолі біля 85%: b CH – O – C(O) – – R'u – (CH2)7 – CH ═ CH – CH2 – CH(OH)– (CH2)5 – CH3; | a CH2 – O – C(O) – – Ru (Rs) – R'u ↓ – R''u – R's Rs – від HSt, в оліях в межах 5-8%: – C17H35; R's – від HSt-12OH, в Г-рицолі біля 85%: b - естерний фрагмент як енергетично, а отже і трибохімічно, нестабільний – (CH2)10 – CH(OH) – (CH2)5 – CH3. гліцеридноестерну:
Методи і технології модифікації як окремих олій, так і їх композицій (компол’ів) Процеси первинної переробки олій і компол’ів (модуль І): метаноліз (етаноліз), гліцероліз, гліколіз, ацидоліз, естероліз
Продукти первинної переробки: біопалива (дизельне і котельне); технічні рідини і розчинники; мономери, проміжні продукти для подальшої переробки
Процеси вторинної переробки проміжних біопродуктів, олій і компол’ів (модуль ІІ, ІІІ): сульфідування, епоксідування, фосфорілування, етаноламідування, часткове лужне омилення спеціальних композицій олій, олив і проміжних продуктів тощо
Продукти вторинної переробки: базові біосинтетичні оливи, біооливи-присадки, мастильно-холодильні засоби (МХЗ) для процесів обробки металів, біосинтетичні проміжні продукти і мономери для різних галузей промисловості (зокрема паливно-мастильної, хімічної, нафтохімічної, фармацевтичної, товарів побутової хімії
Рис. 1. Схема концептуальних підходів до комплексної переробки олій з метою одержання нових якісних біосинтетичних продуктів і матеріалів
а) ріпол доцільніше переробляти на біопаливо, мастильно-холодильні засоби (МХЗ) для обробки металів, технічні рідини і проміжні для подальшого використання біопродукти; б) соєол-гм пропонуємо переробляти на базові біосинтетичні мастила, мономери, проміжні й допоміжні продукти для пально-мастильної та інших галузей економіки; в) найдоцільнішим напрямом комплексної переробки олій є хімічна модифікація їх оптимізованих композицій на основі соєолу-гм (іноді й ріполу) з домішками якіснішого за трибохімічними властивостями рицолу в межах 5–25 % мас.
10
Техніко-економічні особливості проекту: – адаптованість його до підприємств (цехів) міжрайонного (зонального) розміщення передусім малої чи середньої потужності виробництва досить широкого асортименту біопродукції, у т. ч. і біопалива; – модульна побудова передбачених проектом технологічних процесів і організації виробництва, зокрема комбінуванням двох, трьох чи чотирьох виробничих модулів, однотипних за технологіями і устаткуванням (рис. 2); – практична безвідходність всіх технологічних процесів, замкнутість всіх матеріальних потоків між модулями; – одержання біосинтетичних продуктів і матеріалів широкого асортименту за своїми властивостями і призначенням як альтернативи екологічно шкідливим і ресурсно-обмеженим мінеральним сировинним та синтетичним проміжним продуктам багатьох галузей; – скорочення (на першому етапі до 50 %) номенклатури традиційних, помірної якості та екологічно небездоганних мінеральних (одержаних з нафти) матеріалів за рахунок розроблення оптимізованих біосинтетичних та біосинтетично-мінеральних за складом і функціональними властивостями сучасних матеріалів; – перехід від експорту олійної сировини (на сьогодні – приблизно 80 %) до економічно доцільнішого експорту продукції, яку одержують шляхом переробки цієї сировини; – можливість функціональної організації виробництва і технологій за принципом «сільського млина» з виробництвом біопалива і певного асортименту іншої продукції. Модуль І – технологічні процеси „низькомолекулярної” переестерифікації ТО Вторинний гліцерин
Біопаливо для котлів + гліцерин технічний
Дизельне біопаливо + гліцерин технічний
Просте розділення
Присадки до мастильних композицій
Вакуумна перегонка чи інше очищення
б) композицій ТО (2), спецпроцеси
Технічні рідини, розчинники
Гліцероліз ріполу (1) вторинним гліцерином
а) ріполу чи (і) соєолу (1) із спецочищенням
Модуль ІV
Харчові олії високої якості
Метаноліз (етаноліз) олій за двома схемами:
Технічні олії (ТО): 1) ріпол, соєол; 2) композиції олій (компол’и) на основі ріполу чи (і) соєолу з домішками (1-20% мас.) рицолу чи (і) ДГ-рицолу
Технології переробки ріполу з іншими продуктами
Модуль ІІ
Мастильнохолодильні засоби (МХЗ) для обробки металів (пасти, емульсоли)
Хімічні процеси Модуль ІІІ – технологічні процеси „високомолекулярної” переестерифікації композицій ТО промисловими реагентами специфічної будови
Матеріали мастильної та інших галузей
Базові „біооливи” та „біооливи-присадки” різних ступенів в’язкості, якісні за функціональними і триботехнічними властивостями, добре суміщувані з мінеральними і синтетичними оливами та SPN-присадками
Рис. 2. Модель проекту комплексної переробки технічних олій на пально-мастильні біоматеріали за модульним принципом
11
Біопродукти і біоматеріали передбачено одержувати в процесах переробки олій і компол’ів відповідно до модульного принципу побудови технологічних процесів (рис. 2). Біопаливо (біодизельне, котельне та у формі брикетів), технічні рідини і проміжні біопродукти для подальшої (вторинної переробки) передбачається виробляти у процесах переробки за модулем І, виходячи як з окремих олій, так і особливо оптимізованих композицій кожної з них з рицолом, так званих компол’ів: ріприцолів-n чи соєрицолів-n, де n – вміст рицолу в композиціях як правило в межах 5–25 % мас. Провідними процесами модуля І є метаноліз і гліцероліз. Причому гліцероліз олій і компол’ів здійснюють вторинним гліцерином (після метанолізу) з метою перетворення триацилгліцеринів переважно на трибохімічно активні у вузлах тертя машин β-гідроксі-α,α-діацилгліцерини. Крім того, естери (метилові чи етилові) ВЖК, похідні від відповідних олій чи компол’ів, можна використовувати ще й як технічні рідини, розчинники та проміжні продукти для вторинної переробки в технологічних процесах, більшість з яких нами розроблені й апробовані. Серед всього асортименту нових біосинтетичних продуктів і матеріалів особливої уваги заслуговують продукти нового покоління, специфічної структури і нових властивостей – базові біомастила та біомастила-присадки галузі мастильних матеріалів, а також біомономери для полімерних матеріалів тощо. У процесі досліджень ми встановтли найраціональніші напрями використання продуктів гліцеролізу олій чи компол’ів: а) гліцерол технічний (без очищення) – важливий емульгаторний і диспергаторний компонент у виробництві МХЗ для обробки металів; б) гліцесол – проміжний продукт (зокрема в композиціях з месолом) у виробництві якісних базових біомастил, які добре суміщуються з мінеральними оливами та присадками; в) гліцесорол-n (рідше гліцеррол-n) – важливі хімічно активні компоненти (зокрема в композиціях з месоролом-n чи мерролом-n) у виробництві біомастил-присадок поліфункціональної дії. Способи і методи одержання деяких біопродуктів за технологіями гліцеролізу, а також гліколізу захищено патентами на винаходи. Мастильно-холодильні засоби (МХЗ) для обробки металів пропонується виробляти у формі одного базового продукту – пластичної пасти потрійного використання на основі переробки ріпову, в т. ч. і низькосортного (рис. 3). З пасти безпосередньо на металообробних підприємствах за дуже простою технологією готують будь-які типи МХЗ відповідно до технологічних процесів і вимог. Технологія виробництва МХЗ захищена патентом на винахід; крім того, розроблено регламент, технічні умови та іншу необхідну документацію.
12
Вторинний гліцерин
Гліцерол: а) з очищенням; б) без очищення
Гліцероліз
Ріпакова олія (ріпол)
Метаноліз
Технічні рідини
Суміш мерол – ріпол в межах від 1:¼ до 1:1
Мерол – метилові естери ВЖК олії
Сульфідування а) мерсол-ріпсол–nS
Розділення і очищення продукту
б) мерсол–nS
Сульфідвмісні присадки, де n – вміст сульфідної сірки
Мінеральні оливи необхідних в’язкостей (в т.ч. і регенеровані)
Біопалива: а) дизельне; б) котельне
Процес лужного гідролізу спеціальних сумішей, наприклад: ріполу (≈65-70% мас.) + мерсол-ріпсолу–nS (10-15% мас.) + мінеральні оливи (≈20% мас.) Технологія виробництва проміжної пасти для приготування різних типів мастильно-холодильних засобів (МХЗ): а) базової мастильної пасти для процесів обробки металів тиском; б) емульсолів та оливних емульсій для процесів різання металів.
Рис. 3. Модель процесів переробки ріпакової олії на біопаливо Примітки: таВЖК – вищі жирні кислоти, похідні відзасоби олії; – гліцеролізований ріпол; мастильно-холодильні (МХЗ)гліцерол для обробки металів мерол – метилові естери від ВЖК ріполу; ріпсол – ріпол сульфідований.
мерсол – метилові естери ріполу сульфідованого;
Найважливішим напрямом досліджень у контексті цієї проблеми є розроблення методів і технологічних процесів комплексної переробки соєолу-гм та його композицій з рицолом, з одержанням найважливіших у галузі мастильних матеріалів нових і якісних біосинтетичних продуктів і матеріалів з виз-наченими властивостями. Цей проект був результативно представлений на спеціалізованих конкурсах інноваційних розробок і проектів: а) Всеукраїнського конкурсу «Винахід–2006», перша премія; б) Другого національного конкурсу інноваційних проектів «Експерт-інновації – 2007» під егідою журналу «Эксперт– Украина», третя премія.
13
УДК 536.46 ЭЛЕКТРОКАТАЛИТИЧЕСКАЯ ИНСИФИКАЦИЯ ГОРЕНИЯ ГАЗООБРАЗНОГО ТОПЛИВА Столяренко Г. С. доктор технических наук, профессор Вязовик В. Н. кандидат технических наук, доцент Водяник О. В., Фролов К. І. Черкасский государственный технологический университет Поставлена фундаментальная научная проблема – изучить и разработать аппаратуру для метода электрокатализа, т. е. снижения энергии активации на катализаторе за счет внесения его в зону тихого электрического разряда. В процессах электрокатализа преодоление энергии активации осуществляется путем синтеза и гашения кислородсодержащих радикалов; получения энерговозбужденных и реакционноспособных атомов и молекул за счет потока свободных электронов; волнового влияния разряда на систему в зоне катализатора; ультрафиолетового облучения; термического влияния тихого разряда. При проведении газовой химической реакции на катализаторе в зоне тихого разряда интенсификация процесса осуществляется по нескольким направлениям: - изменение окислительной способности системы из-за того, что в качестве окислителя используются не только кислород, НО и молекулы озона (при низкой влажности), а также при повышении парциального давления воды – кислородсодержащие радикалы НО , НО 2 , RO , RO 2 ; - превращение молекул реагента под действием высокого напряжения, потока избыточных электронов, ультрафиолетового облучения и т. д. в энергетически возбужденные атомы, ионы или ион-радикалы; - окисление таких реагентов кислородом, озоном и радикалами протекает спонтанно или при минимуме энергетических затрат; - возможность компенсации энергетических тепловых расходов за счет повышения температуры системы в зоне разряда, то есть без использования громоздких теплообменников и котлов-утилизаторов; - влияние частоты разряда, оптимизация работы стриммеров, влияние температуры на выход химической реакции, что определяется экспериментально по каждой системе; - влияние различных катализаторов на процесс интенсификации. При электрокаталитической активации систем горения (CnHm - N2 - O2) достигается снижение энергии активации эндотермической составной первой стадии горения – разложения углеводородов на углеводородный радикал и 14
протон. Снижение энергозатрат на первую стадию термодеструкции углеводородов топлива приводит к увеличению выделения тепла на целевой теплоноситель, что, в свою очередь, приводит к существенной экономии топлива (15–20 %). Достижение высоких показателей электрокатализа связано с направленным поиском материала диэлектрика, лазерной обработкой поверхности диэлектрика, искусственным гашением радикалом кислорода парами воды, изучением разных конструкций озонаторов как реакторов тихого разряда, изучением условий синтеза высоких концентраций кислородсодержащих радикалов, предпламенной подготовкой топлива в топливно-воздушных смесях. Эксперименты по оптимизации процесса горения газообразного топлива проводили на стендовой и пилотной установках. Для предотвращения снижения активности катализатора, он был выведен из зоны горения. Проводили эксперименты, как с чистым газообразным топливом, так и с добавлением в него различных присадок. В качестве топлива использовали метан и пропан-бутановую смесь. Пропан-бутановая смесь имеет сравнительно мягкие условия электроконтакта. Засекали время нагрева определенного объема воды от начальной температуры 8–20 ºС до 98 ºС. Объемы воды составляли 1000 дм3, напряжение в зоне генерирования радикалов – от 5 до 11 кВ. Каждый эксперимент повторяли минимум 3 раза до воспроизведения результатов. Исследования проводили при времени пребывания газа (τ) в зоне реакции 0,036, 0,018, 0,014 секунды. Результаты исследований показали: - наибольшая экономия топлива достигается при использовании чистого газообразного топлива без добавления к нему примесей. Экономия топлива при этом достигает 14,6 % при напряжении 6 кВ. В случае добавления к топливу паров воды наблюдается значительное уменьшение экономии топлива (5,2 %) при том же напряжении. Добавление к топливу углекислого газа обеспечивает значительно большую экономию топлива, но она не достигает тех значений, что при сжигании чистого газообразного топлива. Экономия топлива составляет 13,3 % при напряжении 6 кВ. Одновременное добавление к топливу паров воды и углекислого газа (моделирование добавления дымовых газов) не дает экономии топлива, а наоборот, увеличивает расходы горючего; - на процесс интенсификации процесса горения существенно влияет напряжение разряда. Наибольшая экономия топлива достигается при напряжении 6 кВ. При высоких напряжениях эффект снижается за счет протекания реакций разложения углеводородов. Исследовать влияние меньшего напряжения невозможно из-за особенностей образования тихого разряда; - на интенсификацию процесса горения влияет время пребывания в зоне разряда. Наиболее оптимальное время пребывания в зоне разряда составляет 0,018 секунды. Увеличение времени пребывании в зоне разряда уменьшает эффект от интенсификации горения, а при времени пребывании в зоне разряда 0,036 секунды эффект исчезает за счет инициации реакций разрушения углеводородов. При последующем уменьшении времени пребывания в 15
зоне разряда эффект уменьшается за счет того, что топливо за все время пребывания в зоне разряда не успевает получить всю необходимую энергию для протекания реакции инициации процесса горения; - существенно влияет на интенсификацию процесса горения газообразного топлива и катализатор. На рис. 1 представлен сравнительный анализ эффективности работы различных катализаторов.
Рис. 1. Сравнительный анализ эффективности электрокатализа при использовании разных образцов катализатора: 1 – без катализатора; 2 – образец 1; 3 – образец 2; 4 – образец 3.
Как видно из рис. 1, наибольшая эффективность достигается при использовании катализатора образца 2. Высокой эффективностью обладает также образец 1, но при его использовании значительно повышаются расходы энергии, что сводит на нет весь эффект интенсификации. Образец 3 значительно снижает эффект интенсификации горения газообразного топлива ниже уровня, который достигался при интенсификации горения электричес-ким разрядом без катализатора. Все это объясняется протеканием реакций дегидратации и гидратации, конверсии и синтеза на поверхности катализатора. Потребляемая мощность для приведенных опытов в среднем составляет 5–6·10-3 Вт. Исходя из сказанного, можно утверждать, что при использовании электрокаталитической активации процесса горения газообразного топлива можно увеличить продуктивность существующих котлоагрегатов до 20 % без увеличения расхода топлива и в свою очередь снизить себестоимость вырабатываемой энергии на ту же величину. Литература: 1. Варнатц Ю., Маас У., Диббл Р. Горение. Физические и химические аспекты, моделирование, эксперименты, образование загрязняющих веществ:
16
пер. с англ. Г. Л. Агафонова / под ред. П. А. Власова. – М.: Физматлит, 2003. – 352 с. 2. Гардинер У., мл. Диксон-Люис Г., Целнер Р. И др. Химия горения: пер. с англ. / под ред. У. Гардинера. – М.: Мир, 1988. – 464 с. 3. Пат. № 82036 Украины. МПК F 23 B 10/00, F 23 С 13/00. Спосіб iнтенсифікації спалювання газоподібного палива. Столяренко Г. С., Вязовик В. М., Марцінишин Ю. Д. заявл. 04.09.2007, опубл. 25. 02. 2008. Бюл №4.
ЕНЕРГОЕФЕКТИВНІСТЬ – ГАРАНТІЯ ЕКОЛОГІЧНОЇ БЕЗПЕКИ Третьяков С. В. начальник Державного управління охорони навколишнього природного середовища у Донецькій області У Донецькій області склалася вкрай несприятлива екологічна ситуація. Це зумовлено інтенсивною експлуатацією природних ресурсів регіону, високою концентрацією підприємств важкої індустрії з недосконалими технологіями. Наслідком багаторічного ігнорування питань модернізації і підвищення енергоефективності виробництва є постійний негативний вплив на довкілля. Найгострішою в регіоні залишається проблема забруднення атмосферного повітря. Викиди шкідливих речовин в атмосферне повітря в області становлять близько 40 % обсягу викидів в атмосферне повітря в цілому по Україні. Майже 30 % обсягу забруднених стічних вод, які скидають щороку у водойми країни, припадає на Донецьку область. Кількість накопичених на території області промислових відходів становить чверть від обсягу відходів, накопичених в Україні. Основною причиною критичного стану природного середовища є інтенсивне промислове виробництво в таких екологічно небезпечних галузях, як гірничодобувна, металургія, енергетика, хімічна промисловість, важке машинобудування, виробництво будматеріалів на базі морально і фізично застарілого обладнання і технологій. Тільки модернізація виробництва із впровадженням високоефективних технологій очищення промислових викидів, стічних вод і утилізацією відходів виробництва може гарантувати екологічну безпеку, збереження і відновлення природних ресурсів регіону. Металургійний комплекс області експлуатує 26 мартенівських печей. На 13 з них пилоочисне обладнання працює неефективно, на інших печах його взагалі немає. Очищення викидів від оксидів азоту на підприємствах області не проводять. Залишається гострою проблема зменшення викидів доменних печей, і якщо на ВАТ «ММК «Азовсталь» і ЗАТ «Донецьксталь–металургійний завод» розв’язання її перебуває на стадії завершення, то на Єнакіївському і Макіївсь17
кому металургійних комбінатах, на ВАТ «ММК імені Ілліча» до цього ще далеко. На більшості коксохімічних підприємств технічний рівень обладнання є незадовільним. Коксові батареї перебувають в експлуатації по 30–40 років. На жодному з коксохімічних підприємств області немає обладнання для глибокого очищення коксового газу від сірководню, в той же час обсяги викидів сірчистого ангідриду є значними і мають тенденцію до подальшого збільшення. Всі теплові електростанції, які розташовані на території області, збудовано й уведено в експлуатацію до 1983 р. На цих підприємствах понад 80 % переважає обладнання зі строком експлуатації 20 років і більше. Через моральне старіння й фізичне зношування газоочисного обладнання на ТЕС в атмосферу викидаються значні обсяги пилу, а відсутність обладнання для очищення димових газів від оксидів сірки й азоту призводить до забруднення навколишнього середовища цими речовинами. Забір води в області в 2008 р. становив 2164 млн м3. Протягом останніх 10 років він знизився на 400 млн м3/рік, що свідчить про поступове підвищення ефективності використання водних ресурсів. Основними забруднювачами водних об’єктів області є підприємства металургійної, вугільної промисловості і комунального господарства, на які припадає 97 % стічних вод. Основним споживачем і забруднювачем Азовського моря в Донецькій області є ВАТ ММК «Азовсталь», який в 2008 р. використав 873,7 млн м3 морської води і скинув у море 206,7 млн м3 забруднених стічних вод. Ще однією з нагальних екологічних проблем є поводження з відходами. В області накопичено 4 млрд т відходів. Площа земель, зайнятих відходами, досягає 2 % території області. Відповідно до законодавства про відходи суб’єкти господарської діяльності в сфері поводження з відходами зобов’язані зменшувати обсяги утворення відходів виробництва, здійснювати організаційні, науково-технічні й технологічні заходи щодо максимальної утилізації відходів, використання їх як вторинної сировини. Негативний вплив на природні ландшафти, знищення дикої природи заради промислового й сільськогосподарського освоєння територій на Донеччині досягло критичного рівня. Якщо в середньому по Україні в природному стані перебуває близько 30 % території, у тому числі понад 17 % займає ліс, то в Донецькій області природні території налічують лише 20 %, з них ліс – тільки 7,7 %. Очевидно, що поліпшення стану довкілля, запобігання екологічній кризі неможливе без збільшення інвестицій у модернізацію виробництва з метою підвищення енергоефективності і гарантування екологічної безпеки виробничих процесів. Основним джерелом інвестицій в основний капітал на охорону навколишнього природного середовища і раціональне використання природних ресурсів є власні кошти підприємств. Їхня частка в 2008 р. становила 82 % у загальному обсязі фінансування природоохоронних заходів в Донецької області. Слід заз-начити, що різке зростання інвестицій власних коштів підпри18
ємств у природоохоронне будівництво відбулося у 2005 р. На жаль, у 2006, 2007 і 2008 роках подальше збільшення обсягів фінансування природоохоронних заходів за рахунок власних коштів підприємств не спостерігалося. Другим за значущістю джерелом фінансування природоохоронних заходів є обласний фонд охорони навколишнього природного середовища, частка якого в 2008 р. становила 16 %. Частка коштів державного фонду охорони нав-колишнього природного середовища, що були спрямовані на природоохоронне будівництво на території Донецької області, з 2005 по 2008 роки не перевищувала 1 %. Для оздоровлення екологічної ситуації в області першочерговою є необхідність інвестування в природоохоронне будівництво у процесі модернізації металургійного виробництва. Так, на ВАТ «МК «Азовсталь» лише внаслідок установки електрофільтрів за доменними печами №№ 2, 4, 6 викиди пилу скоротилися на 1400 т/рік. На ЗАТ «Донецьксталь–металургійний завод» впровадженням централізованої системи відведення пилогазоповітряної суміші від ливарних дворів з очищенням у рукавному фільтрі викиди зменшено на 130 т/рік. А запланована, але й дотепер не реалізована заміна мартенівського виробництва на електросталеплавильне дасть можливість скоротити викиди забруднюючих речовин в атмосферне повітря на 2,5 тис. т/рік. Яскравим прикладом різних підходів до забезпечення енергоефективності й екологічної безпеки виробництва можуть бути коксохімічні підприємства області. Так, на ВАТ «Макіївський КХЗ» і ВАТ «Єнакіївський КХЗ» обладнання для очистки коксового газу від сірки через незадовільний технічний стан виведено з експлуатації. На ВАТ «Авдіївський КХЗ» і на ВАТ «Ясиновський КХЗ» здійснюють модернізацію виробничих процесів. Результатом інвестування в природоохоронне будівництво стало підвищення ефективності виробництва і поступове зниження викидів шкідливих речовин в атмосферне повітря на Авдіївському КХЗ з 6,9 т на 1 тис. т готової продукції у 2003 р. до 4,6 т на 1 тис. т готової продукції у 2008 р. На Ясиновському КХЗ показник викидів знизився з 5,1 т на 1 тис. т коксу в 2003 р. до 3,3 т на 1 тис. т коксу. На АКХЗ зменшення викидів забруднюючих речовин і раціональне використання вторинних ресурсів зумовлено реконструкцією цехів сіркоочищення, закриттям циклів кінцевого охолодження коксового газу по воді та ін. На ЯКХЗ виконано ряд природоохоронних заходів, завдяки яким підприємство має найменші в області питомі викиди. Уведено в експлуатацію турбіну на ТЕЦ, що дало можливість використовувати надлишок коксового газу для одержання електроенергії. Проводяться роботи з переведення сіркоочищення на МЕА процес, що забезпечить зменшення викидів забруднюючих речовин на 740 т/рік. На виконання цього заходу в 2008 р. було витрачено 19,8 млн грн. 19
У той же час, на ВАТ «Макіївський КХЗ» показник питомих викидів, не маючи чітких тенденцій до зниження, коливається у межах 5,4–6,5 т на 1 тис. т коксу, а на Єнакіївському КХЗ більше ніж удвічі перевищує показники інших коксохімічних підприємств і має чітку тенденцію до зростання, досягнувши 13 т у 2008 р. На ВАТ «ММК імені Ілліча» з 2005 р. здійснюють реконструкцію неефективно працюючих очисних споруд на промвипуску №2, що дасть змогу довести до нормативного очищення 13 млн м3 стічних вод, з яких 7 млн м3 очищених вод планується для повторного використання у виробництві. На жаль, при загальній вартості проекту 32 млн грн за станом на 1 жовтня 2009 р. освоєно лише 5,5 млн грн. Впровадження технологій з переробки раніше накопичених відходів виробництва на підприємствах гірничо-металургійного комплексу сприяє істотному підвищенню ефективності виробництва за рахунок зниження обсягу утворення й розміщення відходів і економії сировинних ресурсів. Так, ЗАТ «Донецьксталь–металургійний завод» придбав установку з переробки залізовмісних відходів «АМСОМ» вартістю понад 23 млн грн, яка окупилася менше ніж за 2 роки. Аналогічні установки працюють на ВАТ МК «Азовсталь» і «ВАТ ММК імені Ілліча». Для техногенно перевантаженої території Донецької області питання збереження рослинного і тваринного світу, формування регіональної екологічної мережі, розвитку природно-заповідного фонду є першочерговими. Тому фінансування заходів за рахунок коштів обласного фонду охорони навколишнього природного середовища спрямовано на збереження наявних і створення нових територій природно-заповідного фонду, охорону і збільшення площі лісових насаджень, збереження біологічної й ландшафтної розмаїтості. Якщо у 2003 р. на ці цілі було виділено 1,8 млн грн, що становило менш ніж 7 % загального обсягу, то в 2008 р. – 11,5 млн грн, або 18,4 % фінансування з обласного фонду. Очевидно, що забезпечити фізичне й моральне здоров’я суспільства неможливо в умовах пригніченого стану природних комплексів, зумовленого орієнтацією суспільного виробництва на надмірне використання природних ресурсів. Лише переведення індустріального комплексу, що сформувався у Донецькій області, на енергоефективні технології може стати гарантією екологічної безпеки і не допустити подальшого погіршення екологічної ситуації в регіоні.
20
УДК 661.566.081.2 ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ ТА РЕСУРСОЗБЕРЕЖЕННЯ ВИРОБНИЦТВА РОЗБАВЛЕНОЇ НІТРАТНОЇ КИСЛОТИ Столяренко Г. С. доктор технічних наук, професор Коржик Л. В. асистент Соломка С. М. магістрант Черкаський державний технологічний університет Азотна кислота за обсягами виробництва займає серед інших кислот друге місце після сірчаної. Це зумовлено використанням її у виробництві нітратів і складних добрив (75–80 %), вибухових речовин і синтетичних барвників, а також у фармацевтичній промисловості. Агрегати для виробництва розбавленої азотної кислоти, які працюють в Україні, мають ряд істотних вад, зокрема низький ступінь переробки оксидів азоту в абсорбційній колоні та високу концентрацію NOx у відхідних нітрозних газах. Оксиди азоту є одними з найшкідливіших викидів, що забруднюють атмосферне повітря під час виробництва азотної кислоти. На вітчизняних заводах, зокрема і на Черкаському ВАТ «Азот», використовують неселективне і селективне каталітичне очищення відхідних газів від оксидів азоту, яке полягає у відновленні останніх природним газом або аміаком на каталізаторі до таких нетоксичних компонентів, як молекулярний азот та водяна пара за реакціями: 4 NH 3 6 NO 5 N 2 6H 2 O 1800 ,3 кДж (1) 8 NH 3 6 NO 2 7 N 2 12 H 2 O 2776 ,0 кДж (2) Процес неселективного відновлення проходить у середовищі, яке містить до 4 % об. кисню. Тому, крім безпосереднього відновлення, метан додатково витрачається ще на реакцію окиснення, що призводить до багаторазових невиробничих витрат відновлювача. Крім того, хвостові нітрозні гази після стадії абсорбції необхідно підігрівати до температури запалення каталізатора, що також призводить до збільшення витрат метану. У процесах селективного каталітичного очищення газ-відновлювач (аміак) взаємодіє винятково з оксидами азоту, тому його витрата є меншою. Температура очищеного газу на виході з каталітичного реактора нижча, ніж у процесі високотемпературного каталітичного очищення, що дає можливість використовувати простіше і дешеве устаткування для рекуперації енергії (зокрема, низькотемпературну рекупераційну турбіну).
21
Але цей метод очищення має ряд вад: перевитрати відновника – аміаку (30 %-й надлишок), необхідність розкладання його після реактора через можливість утворення нітросполук в трубопроводах. Ще однією важливою вадою методів каталітичного відновлення є їх спрямованість на руйнування цінних компонентів NO і NO2 до N2 (дефіксація зв’язаного азоту), для одержання яких використовується аміак. Єдиним промисловим методом одержання аміаку сьогодні є конверсія вуглеводнів природного газу. З огляду на щорічне зростання ціни блакитного палива, таке негосподарське використання останнього є просто злочинним. Було поставлено завдання: вивчити можливості утилізації цінних компонентів відхідних газів шляхом інтенсифікації процесу окиснення і переробки оксиду азоту (II) в азотну кислоту шляхом синтезу кисневмісних радикалів безпосередньо в абсорбційній зоні із залишкового кисню і парів води. У цій роботі радикали синтезували шляхом обробки реакційної зони імпульсним ультрафіолетовим випромінюванням. Процес залежить від порогової довжини хвиль з утворенням атомарного кисню O(3P), O(1D) і O(1S): hv (3) О 2 ОО 3 При ≤ 2424 Å по реакції (3) утворюється O( P); при ≤ 1750 Å – O(1D); при ≤ 1332 Å – O(3P) і O(1S). Синтез коливально-збуджених атомів O(1D) або O(1S) дає можливість одержати кисневмісні радикали за високошвидкісними реакціями з водою, в результаті цього утворюються радикали НО і НО 2 : (4) О(1 D) H 2 O HO HO . Радикали НО і НО 2 в умовах вакуумного ультрафіолету утворюються також під час розкладання води з високим квантовим виходом: hv (5) H 2 O H HO . (6) H O 2 HO 2 . Коливально-збуджені радикали НО і НО2 за будь-яких концентрацій практично миттєво (10-2 – 10-4 с) вступають в реакцію з оксидом азоту (II). Крім того, в присутності води відбувається синтез кисневмісних радикалів з подальшим кислотоутворенням за механізмом: м (7) HO NO HNO2 (k 7 1,8 109 л моль 1 с 1 ) м HO 2 NO HNO3
(k 8 7,8 108 л моль 1 с 1 )
(8)
HO HNO2 H 2 O NO2
(k 9 3,6 10 9 л моль 1 с 1 )
(9)
NO2 HO HNO3
(k9 1,8 109 л моль1 с1 )
(10)
Під час досліджень радикали синтезувалися в потоці газової суміші, що моделює склад газу на верхніх тарілках абсорбційної колони (концентрації оксидів азоту NO і NO2 становили 0,1 і 0,002 % об. відповідно), шляхом обробки реакційної зони вакуумним ультрафіолетовим випромінюванням. 22
Для фотохімічної обробки ультрафіолетове випромінювання одержували при використанні водневої лампи і вікон з фториду літію або магнію. Моделювання складу газу здійснювали на базі стандартизованих сумішей. Фотоактивація нітрозного газу у разі однакового ступеня ультрафіолетового опромінювання у присутності водяної пари дає можливість досягти ступеня окиснення 80–90 % проти 0,97 % без використання фотоактивації. Таблиця 1 – Фотоокиснення оксиду азоту (II) низьких концентрацій (0,08 % об. NO і 0,002 % об. NO2) у системі газ – рідина Ступінь окиснен- Ступінь окисненКонцентрація Концентрація NO2, ня без обробки ня з обробкою NO, СNO2 ∙10-3, мг/м3 -3 3 a 0 ,% a 1 ,% СNO ∙10 , мг/м
№ п/п
Час контакту, с
1
0,20
0,864
0,2444
0,956
15,39
2
0,22
0,7526
0,4415
0,96
27,67
3
0,25
0,450
0,883
0,965
56,13
4
0,30
0,368
1,0124
0,97
64,19
5
0,4
0,0817
1,5504
0,978
92,52
Як видно з результатів, наведених у табл. 1, метод фотоактивації дає змогу досягти ступеня окиснення до 92,52 % у разі перебування газу в зоні опромінення протягом 0,4 с. Подальше збільшення часу перебування газу в зоні контакту призводить до зниження ступеня окиснення, що пояснюється переважаючим впливом реакцій руйнування вільного NO2 під дією ультрафіолетового опромінення. Результати досліджень дають можливість запропонувати використання методу фотокаталітичної імпульсної обробки нітрозних газів для технології одержання розбавленої азотної кислоти, що дасть змогу скасувати каталітичне відновне очищення газів. Таким чином, це забезпечить повне і швидке окиснення NO в NO2, знизить вміст NOx у газах, що відходять, і підвищить концентрацію продукційної кислоти. Завдяки більш повній переробці оксидів азоту в продукційну кислоту та економії енергоресурсів ця технологія дасть можливість зменшити собівартість однієї тонни азотної кислоти майже на 12 % порівняно з існуючою технологією.
23
АВТОНОМНИЙ БІОЕНЕРГЕТИЧНИЙ ЦЕНТР ДЛЯ ВИРОБЛЕННЯ ЕЛЕКТРИЧНОЇ ТА ТЕПЛОВОЇ ЕНЕРГІЇ Й ОДЕРЖАННЯ ОРГАНІЧНИХ ДОБРИВ З ВІДХОДІВ СІЛЬСЬКОГО ГОСПОДАРСТВА Зінченко М. Г. кандидат технічних наук, доцент, професор Кравченко С. О. кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Тинда О. А. аспірант Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут» Загострення екологічних проблем, зменшення запасів невідновлюваних енергоресурсів, зростання цін на них зумовили глобальний інтерес до розроблення і використання методів біоконверсії органічних відходів промисловості, сільського, комунального господарства з одержанням енергії. Одним з найефективніших методів утилізації органічних відходів є їх біологічна конверсія (анаеробне зброджування), продуктами якої є біогаз – джерело енергії та зброджена маса з властивостями добрива. Технологія анаеробного зброджування має такі переваги: біогаз, що складається з метану (60–70 %) та діоксиду вуглецю (40– 30 %), має теплотворну здатність від 20 до 30 МДж/м3 залежно від вмісту СО2; його можна з високою ефективністю використовувати як газоподібне паливо або за допомогою газогенератора трансформувати в електричну і теплову види енергії у двигунах внутрішнього згорання; зброджувана маса містить біогенні елементи (азот, фосфор, калій), її можна використовувати як органічне добриво; створення біогазових установок через їхнє локальне розміщення поб-лизу підприємств і побутових приміщень не потребує будівництва дорогих газопроводів. Таким чином, технологія метанового зброджування дає можливість одночасно розв’язати екологічну, енергетичну й агрохімічну проблеми сільськогосподарських підприємств. В НТУ «ХПІ» довгий час проводили дослідження, спрямовані на інтенсифікацію процесу метанового зброджування, а також конструктивне оформлення технології. Результати роботи опубліковано більш ніж у 40 статтях та захищено 10 патентами України і Росії. З використанням результатів досліджень у 1984 р. була побудована біогазова установка «БІОГАЗ-301С» у м. Суми (спільна розробка НТУ «ХПІ» і ВАТ «НВО імені М. В. Фрунзе») для переробки відходів свиноферми на 3000 голів тварин. Вона виробляла 450 м3/добу біогазу, який утилізували у 24
котельній з одержанням гарячої води для потреб ферми. Установку стабільно експлуатували до 2000 р., доки не було ліквідовано свиноферму. З урахуванням накопиченого досвіду автори розробли ряд інвестиційних пропозицій і проектів біогазових установок, зокрема: підготовлено ТЕО до інвестиційного проекту установки для переробки 50 т/добу гною великої рогатої худоби з виробленням 650 м3/добу біогазу в с. Ново-Мажарово Харківської області. Утилізація біогазу в когенераційній установці дасть можливість повністю забезпечити власні потреби установки в енергії; за замовленням сільськогосподарського коледжу провінції Онтаріо (Канада) виконано ТЕО до проекту установки для зброджування 30 м 3/добу суміші свинячого й коров’ячого гною з переробкою біогазу на електричну енергію. У проекті передбачено додаткове очищення рідкої фракції збродженої маси до показників, що дають можливість використовувати її в системі видалення навозу (рН 7,5–7,6; зважені речовини – 75–100 мг/л; ХПК – 30 мг/л; БПК – 21мг/л); у 2003 р. розроблено проект і побудовано фермерську біогазову установку поблизу м. Лімассол (Кіпр). У більшості працюючих біогазових установок та таких, які проектують, передбачено використання мезофільного (30–35 С) режиму метанового збродження відходів. Це зумовлено прагненням до мінімізації витрат енергії для забезпечення процесу одержання біогазу. В той же час відомо, що термофільне зброджування (50–55 С) має вагомі переваги порівняно з мезофільним, зокрема глибше розкладання органічної речовини стоків і відповідно більший вихід біогазу. Крім того, у цьому режимі здійснюється гарантоване знезараження відходів, зброджена маса відповідає санітарним вимогам за вмістом патогенної мікрофлори, її можна безпосередньо використовувати як добриво. Проте підтримка термофільного режиму потребує значних витрат палива, і це стримує будівництво БЕУ. Дійсно, як свідчить досвід експлуатації малих і середніх біогазових установок, продукційного біогазу не вистачає на обігрівання метантенків у зимовий час. Що стосується великих БЕУ, то виконані нами розрахунки показали, зокрема, що при роботі у складі когенераційної установки двох газопоршневих двигунів типа ГДГ 500/1000 за рахунок утилізації тепла вихлопних газів і охолоджуючої рідини виробляється 1100 кВт теплової енергії, з якої для попереднього підігрівання біомаси та підтримання роботи метантенків в термофільному режимі витрачається 957 кВт. Решту 143 кВт теплової енергії може бути використано для побутових та інших виробничих потреб. Аналіз енергоспоживання установки свідчить, що для забезпечення технологічного обладнання та побутових потреб обслуговуючого персоналу буде потрібно близько 200 кВт електричної енергії. З 1000 кВт електричної енергії, яку виробляють два газові двигуни внутрішнього згорання ГДГ 500/1000, 800 кВт може бути продано як товар.
25
Очевидно, що з погляду екологічної та економічної ефективності найдоцільніше впроваджувати біогазові установки на великих тваринницьких комплексах. Виходячи з цього, ми розробили інвестиційні пропозиції щодо створення біоенергетичного комплексу для свиноферми з поголів’ям 60 000 тварин. Схему роботи біокомплексу наведено на рисунку. Як основні вихідні положення прийнято, що відходи зброджують у термофільному режимі. Продукційний біогаз очищують, доводять до робочих параметрів і як моторне паливо подають у двигуни внутрішнього згоряння. Тверда фракція перебродженої біомаси, що має властивості органічного добрива, потрапляє в місцеві сільгосппідприємства.
Рис. Схема роботи біокомплексу з утилізації відходів свиноферми
Технічні характеристики обладнання та агрегатів енергетичного комплексу вибрано з розрахунку, що щодобовий вихід рідинних стоків становить 460 м3, а продукційна електроенергія передається в електричну мережу. Вироблене тепло частково використовують для забезпечення температурного режиму зброджування відходів, а його надлишок – для забезпечення температурного режиму утримання тварин. Енергетичний комплекс працює таким чином. З приміщення свиноферми шляхом гідрозмивання гній потрапляє у збірник, звідки за допомогою відцентрового насосу через пастку подається в підігрівач об’ємом 153,3 м3. (У схемі передбачено 3 підігрівача, що заповнюються по черзі). У підігрівачі гній витримують при періодичному перемішуванні протягом 8–9 годин та підігрівають до температури ферментації 52 ± 2 ˚С, після чого подають у метантенк об’ємом 500 м3, в якому підтримують такий же температурний режим (у схемі передбачено 8 метантенків, 26
що заповнюються по черзі). У метантенку біомаса перебуває вісім діб. Зброджену масу вивантажують через спеціальний переливний пристрій у збірник – аератор. В аераторі відбувається насичення маси киснем з метою припинення життєдіяльності анаеробної мікрофлори та поліпшення санітарно-гігієнічних показників стоків. Далі з аератора відферментована маса самопливом подається у центрифугу, де розділяється на фракції. Зневоднений шлам по спеціальному каналу за допомогою шнекового транспортера подається на відвантаження, а рідка фракція по трубопроводу за допомогою відцентрового насоса – у збірник рідкої фракції, звідки насосом викидається на поля як рідке добриво. При відповідному доочищенні рідка фракція може бути повторно використана для гідрозмивання в приміщенні свиноферми. Утворений біогаз з метантенка через фільтр попереднього очищення відводиться в газгольдер, з якого за допомогою газового компресора потрапляє в газосховище. З газосховища через знижуючий редуктор біогаз подається в газовий мотор-генератор. До нинішнього часу в Україні будівництво подібних біокомплексів не відбувалося. Більшість великих тваринницьких ферм скидають величезні обсяги необроблених стоків у відкриті сховища, чим завдають невиправної шкоди довкіллю. Розроблені у цьому проекті технічні пропозиції дають можливість вирішити природоохоронні, агрономічні та енергетичні завдання сільгосппідприємств. Когенераційні комплекси, що використовують біогаз в якості моторного палива для газових двигунів внутрішнього згорання, забезпечують енергонезалежність великих сільськогосподарських підприємств, дають змогу істотно знизити собівартість їх продукції за рахунок використання в виробничому циклі дешевої електричної та теплової енергії.
27