Burlakova N.N., Masyutin A.G. Predotvrashhenie zagryazneniya okruzhayushhej sredy s sudov

Инженерная школа ДВФУ
Н.Н. Бурлакова, А.Г. Масютин
ПРЕДОТВРАЩЕНИЕ ЗАГРЯЗНЕНИЯ
ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ С СУДОВ
2019
Дальневосточный федеральный университет
Инженерная школа
Н.Н. Бурлакова, А.Г. Масютин
ПРЕДОТВРАЩЕНИЕ
ЗАГРЯЗНЕНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
С СУДОВ
Для студентов направления подготовки
26.04.02 «Кораблестроение, океанотехника и системотехника
объектов морской инфраструктуры» (магистратура)
очной формы обучения
Учебно-методическое пособие
Владивосток
Дальневосточный федеральный университет
2019
УДК 504.054:629.5(076)
ББК 20.18р30-2
Б90
Бурлакова Н.Н., Масютин А.Г. Предотвращение загрязнения окружающей
среды
с
судов:
для
студентов
направления
подготовки
26.04.02 «Кораблестроение, океанотехника и системотехника объектов
морской инфраструктуры» (магистратура) очной формы обучения: учебнометодическое пособие / Инженерная школа ДВФУ. – Владивосток: Дальневост.
федерал. ун-т, 2019. – 38 с. – ISBN 978-5-7444-4425-9
Учебным
планом
подготовки
магистров
по
направлению
26.04.02 «Кораблестроение, океанотехника и системотехника объектов
морской инфраструктуры» очной формы обучения предусмотрена
практическая курсовая работа по дисциплине «Предотвращение загрязнения
окружающей среды с судов». Данное пособие содержит указания к ее
выполнению, теоретический материал и методики расчета параметров
судового природоохранного оборудования в соответствии с требованиями
Российского морского регистра и Протоколов конвенции МАРПОЛ 73/78.
Излагаются структура и содержание разделов практической работы
с указанием их трудоемкости, приводятся рекомендации по оформлению
пояснительной записки и графической части, основные расчетные
соотношения.
Для студентов направления подготовки 26.04.02 «Кораблестроение,
океанотехника
и
системотехника
объектов
морской
инфраструктуры» (магистратура) очной формы обучения.
Ключевые слова: международное морское право, природоохранная политика,
судовые отходы, судовое оборудование.
Публикуется по решению кафедры судовой энергетики и автоматики
Инженерной школы ДВФУ
УДК 504.054:629.5(076)
ББК 20.18р30-2
ISBN 978-5-7444-4425-9
© ФГАОУ ВО «ДВФУ», 2019
Содержание
1. Цели и задачи практической курсовой работы ..................................................................... 4
2. Содержание практической курсовой работы ......................................................................... 4
3. Судовая энергетика и экологическая безопасность .............................................................. 5
4. Расчет количества вредных веществ, образующихся на корабле ........................................ 7
4.1. Загрязнение нефтепродуктами ......................................................................................... 7
4.2. Загрязнение сточными водами ......................................................................................... 9
4.3. Загрязнение мусором ....................................................................................................... 10
4.4. Загрязнение атмосферы ................................................................................................... 11
5. Определение токсичности корабельной энергетики ........................................................... 17
6. Проектирование средств по предотвращению загрязнения водоемов льяльными,
нефтесодержащими водами ....................................................................................................... 19
7. Гидроциклоны ......................................................................................................................... 23
8. Технологический расчет параметров установок биологической очистки
сточных вод ................................................................................................................................. 33
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ .......................................................................................................... 37
3
1. Цели и задачи практической и курсовой работ
Практическая курсовая работа является логическим дополнением теоретических разделов
дисциплин «Судовые дизельные энергетические установки», «Судовое вспомогательное
энергетическое оборудование», «Судовые системы и трубопроводы», «Предотвращение
загрязнения моря и атмосферы с судов».
При выполнении практической работы проверяется умение студента применять
полученные теоретические знания для практических расчетов по выбору необходимого
оборудования и формированию (в виде чертежа) обоснованного конструктивного решения по
сокращению воздействия корабля на окружающую среду.
Задачи практической работы:
– определение количества образующихся при эксплуатации корабля вредных веществ,
сбрасываемых (выбрасываемых) в окружающую среду;
– разработка мероприятий по сокращению образующихся вредных веществ или их
нейтрализации;
– разработка (на основании требований Морского регистра РФ) схемы по сбору, хранению,
обезвреживанию и удалению вредных веществ;
– подбор необходимого оборудования для разработанной схемы;
определение эффективности спроектированной системы.
Задание на практическую и курсовую работы выдается на второй неделе третьего семестра
и включает тип корабля, его основные размерения, мощности главных и вспомогательных
двигателей, паропроизводительность главных и вспомогательных котлов, тип опреснительной
установки (ОУ), численность экипажа, технологические особенности производственного цикла.
Объем работы – 40 ч, из них: пояснительная записка – 28 ч и графическая часть (чертежи
формата А 4) в составе пояснительной записки. Выполнение работы является допуском к итоговой
аттестации студентов в виде экзамена.
Все расчеты по проекту производятся в международной системе единиц СИ, графическая
часть – в соответствии с ЕСКД.
2. Содержание практической курсовой работы
Объем: пояснительная записка – 15…20 листов, графическая часть – 2…3 чертежа формата А-4.
Пояснительная записка должна содержать:
1) основные характеристики корабля и энергетической установки;
2) расчет образующихся на корабле льяльных, хозяйственно – бытовых, фановых вод, их
остатков после очистки и от бытового мусора;
3) определение количества выбрасываемых в атмосферу вредных веществ на генеральном
курсе, при входе в порт, швартовке и стоянии в порту;
4) обоснование схемы по предотвращению загрязнения окружающей среды;
5) выбор конструктивных элементов схемы по предотвращению загрязнения
окружающей среды;
6) определение степени очистки сбросов (выбросов);
7) описание работы схемы по предотвращению загрязнения окружающей среды;
8) требования МАРПОЛ 73/78, международные и национальные требования по
предотвращению загрязнения атмосферы выхлопными газами тепловых двигателей.
Пояснительную записку рекомендуется оформлять в следующем порядке (в скобках –
пункты перечня содержания):
– задание на проектирование (1);
– введение – проблемы экологической безопасности корабельной энергетики (8);
– глава I. Расчет количества вредных веществ, образующихся при эксплуатации
корабля (2, 3);
– глава II. Конструктивные расчеты элементов схем предотвращения загрязнения
окружающей среды и выбор оборудования (4, 5, 6);
– глава III. Техническое описание работы системы по предотвращению загрязнения
окружающей среды (7);
– заключение – выводы о принятых решениях;
4
– список литературы;
– оглавление.
Графическая часть проекта должна быть представлена:
– балансовой схемой воздействия энергетической установки, технологических процессов,
источников хозяйственно-бытового назначения на окружающую среду, со всеми необходимыми
пояснениями, специальными указаниями и требованиями документов и конечным результатом;
– разработанной функциональной схемой предотвращения загрязнения окружающей среды;
– чертежом конструктивного исполнения элемента или узла схемы.
3. Судовая энергетика и экологическая безопасность
Судовые тепловые двигатели различных типов загрязняют атмосферу и гидросферу, при
этом объемы загрязнения суши и водной среды связаны.
В мировом транспортном флоте в настоящее время насчитывается более 64 000 крупных
судов, тоннаж мирового флота ежегодно увеличивается на 8…9%, мощность установок возрастает
на 10…12%.
Следует отметить, что влияние боевых кораблей на загрязнение биосферы мало изучено.
Загрязнения, вносимые кораблями, по своему виду, токсичности, влиянию, которое они
оказывает на среду, и их удельному значению различны. Можно условно разделить их на две
группы: загрязнение атмосферы отработавшими газами и загрязнение вод, дна морей, океанов, рек
и других водоемов нефтепродуктами (НПр), твердыми и другими видами отходов. Радиационные
и тепловые излучения, радиоактивные отходы реакторов, шум и вибрация, электромагнитные
излучения, создаваемые корабельной энергетикой, можно отнести к обеим указанным группам,
так как они оказывают влияние, как на атмосферу, так и на воды и почву водоемов (см. рис. 1).
Распределение составляющих загрязнения Мирового океана за один год от деятельности
флота и других источников представлено в табл. 1.
Таблица 1
Составляющие загрязнения Мирового океана углеводородами
Источники загрязнений
Количество,
млн т
114,20
Выбросы дизельных энергетических установок (ДЭУ) с отработавшими газами (ОГ)
бензопиренов (БП), кроме углеводородов (СхНх)
Испарения нефтепродуктов танкерным флотом с учетом грузовых операций
Испарения нефтепродуктов на суше и попадание их в морскую среду с осадками
Выбросы несгоревшего топлива ДЭУ с ОГ
Слив балластных вод с кораблей
Антропогенные выбросы на суше и перенос их через атмосферу в Мировой океан
Выбросы углеводородов ДЭУ (СхНх) в морскую среду с ОГ
Сток рек в Мировой океан
Береговые стоки
Добыча нефти в мире
Естественное просачивание со дна
Разливы нефтепродуктов при авариях танкеров
Сброс нефтепродуктов с льяльными водами
Всего
19,40
10,00
1,83
4,30
3,00
14,30
1,90
0,80
0,80
0,60
0,30
0,50
153,13
Для оценки выбросов и экологических ущербов от функционирования транспортных
двигателей можно использовать данные, приведенные в табл. 2.
Таблица 2
Выбросы при работе транспортных двигателей на 1 т сжигаемого топлива
Тип
двигателей/выбросы, кг
Бензиновые
Дизельные
Газотурбинные
СО
(СхНх)
O2
NОx
Сажа
С
Pb
Всего
267
28,4
0,852
33,2
9,1
1,365
1,34
5,6
0,68
26,6
40,8
4,08
1,34
3,4
0,068
–
28,4
–
0,266
–
–
329,7
115,7
7,045
5
От продувания
паровых котлов,
утечки, работа
свистка
Тепловое излучение
Радиационные
излучения и
отходы реакторов
Электромагнитные
излучения
От прорыва через
неплотности
коллекторов
и трубопроводов
Отработавшие
газы двигателей,
паровых котлов
Газы и пары
Загрязнение атмосферы
Загрязнение
биосферы
Шум
Вентиляционные от
испарения
нефтепродуктов
в хранилищах,
картерах двигателей
Санитарные
(мытьевые воды)
Фекальные
(фановые воды)
Твердые отходы
(стружка, тара,
бумага, ветошь)
Пищевые отходы
Загрязнение гидросферы
(воды морей, океанов, рек)
Вибрация
Отходы сепарации
топлива и масла
Нефтепродукты
Утечки при перекачке
топлива и масла
Льяльные воды
Аварийный разлив
при кораблекрушении
Трюмные балластные
Рис. 1. Классификация видов загрязнений,
вносимых в биосферу кораблями и их энергетическими установками
6
Неуклонно ухудшающая экологическая ситуация в мире заставляет по-новому
оценивать направления и перспективы развития корабельных энергетических установок,
энергетические схемы, применяемые в корабельных установках, и режимы их
эксплуатации. Может измениться и отношению к использованию высокосернистых
тяжелых сортов топлива в корабельной энергетике в связи с тем, что количество оксидов
серы в отработавших газах прямо пропорционально содержанию серы в топливе. Следует
ожидать, что в ближайшие годы приоритет получат те установки, которые при высокой
энергетической эффективности будут оказывать минимальное вредное воздействие на
окружающую среду.
4. Расчет количества вредных веществ, образующихся на корабле
4.1. Загрязнение нефтепродуктами
Предотвращение загрязнения Мирового океана нефтепродуктами (НПр) – одна из
глобальных задач, стоящих перед человечеством, так как Мировой океан является
источником питания людей и кислородного обмена планеты.
Одна из причин загрязнения водной поверхности нефтепродуктами – сброс с
кораблей нефтесодержащих вод (НСВ).
Пленка НПр на водной поверхности любой толщины ухудшает газообмен между
атмосферой и гидросферой, а содержащийся в воде кислород расходуется на
биохимическое окисление НПр.
Особенно опасны для водоема донные отложения НПр, которые отличаются
исключительной стойкостью. Они медленно подвергаются биохимическому окислению изза низкой температуры воды и слабого проникновения света. При концентрации НПр 0,1
мг/л происходит гибель планктона.
Нефтесодержащие воды кораблей и судов представляют собой промывные воды
танкеров (вода после помывки танкеров), балластные (вода принимается в топливные
цистерны для обеспечения остойчивости корабля) и льяльные воды.
Льяльные воды образуются в процессе эксплуатации энергетических установок и
представляют собой смесь пресной и морской воды, топлива и масел. Причина их
образования – всевозможные протечки из систем, механизмов, арматуры.
Накопление льяльных вод зависит от водоизмещения корабля, типа установки, ее
мощности и технического состояния. В соответствии с ОСТ 5.5270-75 количество НСВ,
образующихся на судах, приведено в табл. 3.
Таблица 3
Количество нефтесодержащих вод, образующихся на судах
Полное
водоизмещение
судна D, т
до 100
101-250
251-500
501-750
751-1000
1001-1250
Количество НСВ
льяльных вод S,
м3/сут.
0,1
0,1-0,3
0,3-0,6
0,6-0,9
0,9-0,12
1,2-1,8
Полное водоизмещение
судна D, т
1251-1500
1501-4000
4001-10000
10001-25000
Свыше 25000
–
Количество НСВ
льяльных вод S,
м3/сут.
1,8-2,5
2,5-6
6-10
10-20
Свыше 20
–
Содержание НПр в льяльных водах составляет 2000–3000 мг/л, что во много раз
превосходит верхний допустимый предел сброса НСВ за борт в открытое море (100 мг/л).
Для определения суточного накопления льяльных вод (SЛ) в научной литературе
известен ряд соотношений, предложенных различными авторами для разных типов судов и
кораблей:
1.
Соотношение В.А. Маркевича для транспортного судна:
SЛ = k D0.5 х ω m, м3/сут.,
(1)
где k = коэффициент, учитывающий режим работы судна (k = 0,7 – для ходового режима; k = 0,1 –
при стоянке в порту; k = 0,06 – при стоянке в ремонте);
D – полное водоизмещение, т;
ω – ежегодное приращение среднесуточного количества льяльных вод, м 3/сут. (ω = 0,2 – для
ходового режима; ω = 0,12 – при стоянке в порту; ω = 0,07 – при стоянке в ремонте);
m – «возраст» (количество лет между докованиями) судна.
7
2.
Соотношение Ю.В. Якубовского для рыбодобывающих судов:
n
0, 5
S Л  0.03DПБ
 0,02 Di0,5 , м 3 / сут ,
(2)
i 1
где DПБ – полное водоизмещение рыбообрабатывающего судна (плавбазы), т;
Di – полное водоизмещение i-го рыбодобывающего судна.
3.
Соотношения А.Г. Масютина для боевых кораблей с паротурбинной (ПТУ)
и газотурбинной (ГТУ) установками:
S ПТУ  (0,002  150108 * ) D, м3 / сут ;
(3)
 (0,0009  85 10  ) D, м / сут ,
(4)
S
ГТУ
8
3
где D – полное водоизмещение корабля, т;
τ – межремонтный период, сут.
Рассчитав количество среднесуточного накопления льяльных вод, следует
определить способы их сбора, очистки и хранения шлама после очистки.
Величины остатка после очистки льяльных вод определяется соотношением:
J  C  S , кг / сут ,
(5)
где J – величина остатка;
C – концентрация НПр после очистки, С= 8 кг/м3.
Вместимость цистерн для сбора нефтесодержащих вод (НСВ),
накапливающихся на судне за время стоянки в порту или нахождения
в запретных для слива НСВ районах
Суточное накопление НСВ для расчета вместимости сборных цистерн
производится по формулам, приведенным выше ( S ), и уточняется заказчиком.
Минимальная вместимость V1 цистерны для сбора шлама на кораблях,
оснащенных гомогенизаторами, печами для сжигания, шлама должна быть:
– V1 = 1 м3 – для судов валовой вместимостью 400 рег. т и более, но менее 4000 рег. т,
либо
– V2 = 2 м3 – для судов валовой вместимостью 4000 рег. т и более.
При отсутствии средств утилизации и обработки шлама объем цистерны
рассчитывается по формуле:
(6)
V1 = k1 B T,
где k1 = 0,01 – для кораблей, где тяжелое топливо подвергается сепарированию перед подачей в
главный двигатель, либо k1 = 0,005 – для судов, не оборудованных сепараторами топлива;
В – суточное потребление топлива, т;
Т – минимальная продолжительность рейса между портами, где шлам может быть сдан на берег, сут.
Минимальная вместимость V2 (м3) цистерны для сбора шлама для новых
судов, на которых топливные топки временно используются в качестве балластных,
определяется по формуле:
(7)
V2 = V1 + k2 V3 ,
где V1 – минимальная вместимость цистерны для сбора шлама (2);
k2 = 0,01 – для топливных танков тяжелого топлива;
k2 = 0,005 – для топливных танков дизельного топлива;
V3 – вместимость топливных танков, временно используемых как балластные.
В соответствии с прил. 1 Международной конвенции по предотвращению загрязнения
моря с судов МАРПОЛ 73/78 НСВ с концентрацией НПр до 100 мг/л можно сбрасывать в море
только за 12-мильной зоной и вне особых районов. При концентрации НПр до 15 мг/л НСВ
8
следует сбрасывать в пределах 12-мильной зоны и в особых районах. Во внутренних водоемах
и портах возможен сброс НСВ за борт с концентрацией НПр до 10 мг/л.
Таким образом, на судне должны быть предусмотрены средства очистки НСВ до
определенной заказчиком концентрации содержания НПр.
4.2. Загрязнение сточными водами
Жизнедеятельность экипажа корабля связана с потреблением воды для питьевых и
хозяйственных нужд, кроме того, эта вода используется в различных технологических
процессах (например, на рыбообрабатывающих судах). В результате этого на корабле
скапливаются сточные воды (СВ). В тех случаях, когда речь идет только о стоках мытьевой
воды, включая стоки из камбуза, используют термин «хозяйственно-бытовая вода».
Стоки из гальюнов называют фановыми водами, эти стоки имеют большое
количество органических, неорганических и биологических соединений.
В настоящее время приняты следующие контрольные показатели, по которым
можно прямо или косвенно судить о степени загрязнения СВ: приведем составляющие так
называемого интегрального экологического показателя качества сбрасываемой за борт
сточной воды.
– БПК5 – биохимическая потребность в кислороде в течение пяти суток.
Определяется количеством кислорода, необходимого для биохимического разложения
органических загрязнений, содержащихся в 1 л СВ в течение пяти суток при температуре
20º С без доступа воздуха и света; измеряется в миллиграммах на литр (мг/л). С
повышением содержания органических веществ в СВ значение БПК5 возрастает, что
приводит к дополнительным затратам кислорода на окисление органических веществ и,
следовательно, к уменьшению содержания кислорода в водоеме;
– ВВ – количество взвешенных веществ, содержащихся в 1 л СВ; измеряется в
миллиграммах на литр (мг/л); определяют ВВ путем фильтрации СВ и взвешиванием
задержанных фильтром загрязнений. Повышения содержания ВВ в сбрасываемых СВ ведет
к замутнению воды, что приводит в итоге к нарушению «пищевой решетки» водоема;
– «коли-индекс» – количество бактерий группы «коли» (кишечная палочка),
содержащихся в 1 л СВ; измеряется в штуках (штаммах) на литр (шт./л). Например,
250/100 означает: 250 бактерий «коли» содержится в 100 мл исследуемой воды, или
2500 шт. в 1 л;
– рН – водородный показатель (безразмерная величина), характеризующий
количество ионов водорода в растворе. В кислой среде рН < 7, в нейтральной рН = 7, в
щелочной рН > 7. Водородный показатель во многом определяет метод очистки.
– прозрачность – позволяет косвенным путем оценивать степень загрязненности
СВ, в среднем прозрачность СВ равна 1…2 см.
Существуют и другие показатели, характеризующие загрязненность СВ.
Состав судовых СВ, скапливающихся в сборной цистерне, непостоянный,
соотношение сточных и хозяйственно-бытовых вод изменяется в течение суток, зависит от
режима работы судна (стоянка в порту или рейс) и других обстоятельств. Очевидна
зависимость состава СВ от класса судна и его комфортности.
Количество СВ зависит от численности экипажа и уровня водопотребления на
корабле. Исходя из этого, можно определить среднесуточное накопление фановых и
сточных вод, используя следующие соотношения:
– суточное накопление фановых вод:
SФ(1) = nэ (Пр/3), м3/сут.
(8а)
где nэ – численность экипажа, чел.
Пр – количество пресной воды взятой на рейс на одного человека в сутки (л, кг).
Значит, общее количество накопленных фановых вод за рейс можно рассчитать
умножив суточное накопление на автономность А (сут.):
SФ = А (nэ (Пр/3)), м3.
(8б)
Количество остатков после очистки:
Jф = Сф*SФ, кг/ м3,
(9)
где Сф = 15 кг/ м3 – концентрация остатков в стоках.
9
– суточное накопление мытьевых вод:
SМ(1) = nэ (2Пр/3), м3/сут.,
(10а)
где Пр – норма суточного расхода воды, л/(чел в сут). Эта величина зависит от уровня
комфортности судна и в соответствии с санитарными правилами может составлять 50, 100, 200
л/(чел. в сут.).
Общее количество накопленных камбузных и мытьевых вод за рейс можно
рассчитать, умножив суточное накопление на автономность А (сут.):
SМ = А (nэ (2Пр/3)), м3
(10б)
Количество влажных остатков
Jм = См SМ, кг/ м³,
(11)
где См = 10 кг/м³.
Таким образом, количество остатков после очистных операций на судне:
J = Jф + Jм + Jл + Jсеп + Jтех,
(12)
где Усеп – остаток после сепарации топлива и масла, JСЕП = ССхВ;
СС = 18…20 кг/кг; В – суточный расход топлива.
Jтех – остаток после обработки технологических вод рыбообрабатывающего судна.
Для расчета накоплений СВ можно воспользоваться данными табл. 4.
Таблица 4
Уровень накопления судовых СВ для судна средней комфортности
Вид СВ
Фановые
Камбузные
Стоки из
умывальников,
душевых, ванн
Объем образования СВ
из расчета
доля от
100-150 л
общего
на чел. в
объема, %
сут. –
общее
кол-во
взятой на
борт воды
35-52,5
35
15-22,5
15
50-75
50
органическими
веществами БПК5,
мг/л
Уровень загрязнения СВ
взвешенными
бактериями,
частицами, мг/л
вирусами
шт./л
высокий, до 600
высокий, до 600
высокий, до 600
высокий, до 600
низкий,
не более 40
средний,
менее 600, но
не более 40
высокий, 109
средний,
до 106
низкий,
менее 104
Определив накопление СВ, следует решить вопрос о сборе, хранении и очистке
этих вод.
Для этого необходимо рассчитать минимальный объем сборных фановых (Vхбв) и
хозяйственно-бытовых (Vхфв) водяных цистерн, м3.
4.3. Загрязнение мусором
Жизнедеятельность экипажа корабля и пассажиров сопровождается образованием
твердых и жидких отходов. К ним относится бумага, тряпки, упаковочные материалы
(деревянные, картонные, металлические, стеклянные, пластмассовые), пищевые отходы.
Бытовые и твердые отходы собираются в специальные контейнеры,
устанавливаемые в кормовой части судна, а пищевые отходы – в баки (по ОСТ5.2378-85).
При эксплуатации корабельной энергетики образуются твердые эксплуатационные
отходы (ветошь, фильтры, дерево, резина и т.п).
Бытовые твердые отходы составляют большую часть скапливающего мусора.
Для определения количества мусора, образовавшегося на корабле за одни сутки,
можно руководствоваться следующими нормами:
– сухой бытовой мусор dМУС = 0,002 м3/(чел. в сут.);
– пищевые отходы dПИЩ = 0,003 м3/(чел. в сут.).
10
Таким образом, зная численность экипажа корабля, легко определить количество
образовавшегося мусора за сутки, после чего необходимо решить вопросы по сбору,
хранению и утилизации этого мусора.
4.4. Загрязнение атмосферы
Газовые выбросы (дымовые газы) тепловых двигателей по характеру воздействия
на организм человека, химической структуре и свойствам можно разделить на шесть
основных групп.
1. Первую группу составляют нетоксичные вещества: азот N2, кислород О2,
водород Н2, водяной пар Н2О и углекислый газ СО2.
2. Ко второй группе относится окись углерода СО – бесцветный газ, без вкуса и
запаха, легче воздуха (удельная масса по отношению к воздуху 0,97), практически
нерастворимый в воде. Воздействие СО на организм человека зависит от ее концентрации в
атмосфере.
3. В третью группу входят окислы азота, главным образом окись и двуокись.
Окись азота NO – бесцветный газ, двуокись NO2 – газ красновато-бурого цвета с
характерным запахом, тяжелее воздуха. По действию на человеческий организм окислы
азота значительно более опасны, чем окись углерода.
4. К четвертой группе, самой многочисленной, относятся различные углеводороды
(соединения типа CnHm), являющиеся представителями всех гомологических рядов:
алканов, алкенов, алкадиенов, циаланов, а также ароматических соединений, в том числе
канцерогенов. Углеводороды токсичны и участвуют в фотохимических реакциях с
окислами азота. Особое значение придают наиболее распространенному 3,4-бензипирену,
обладающему высокой канцерогенной активностью.
5. В пятую группу входят альдегиды. В отработавших газах присутствуют в
основном формальдегид и акромин.
6. В шестую группу выделяют сажу. Состав рабочей смеси характеризуется
коэффициентом избытка воздуха α:

GB
L0 B
,
(13)
где GB – расход воздуха, кг/ч; В – расход топлива, кг/ч; L0 – теоретически необходимое количество
воздуха при сжигании 1 кг топлива (для дизельного топлива L0 = 14,30 кг/кг; для моторного топлива
L0 = 14,46 кг/кг; для мазута L0 = 14,03 кг/кг).
Количество воздуха GB, потребного для работы теплового двигателя, зависит
прежде всего от мощности двигателя и ряда других факторов. В расчетах можно считать,
что количество образовавшихся отработанных газов приблизительно равно GB (табл. 5).
Таблица 5
Количество образующихся отработанных газов от СЭУ
Наименование примеси
Окись углерода СО
Содержание
в отработавших газах,
%
0,005–0,5 (0,0008)
Окислы азота NO, NO2, N2O4,
и др. (NOх)
0,004–0,2 (0,000009)
в пересчете на N2O5
Сернистый ангидрид SO2
0,003–0,05 (0,000012)
Акролеин альдегид акриловой
кислоты СН2
Формальдегид Н2С
0,001–0,004 (0,00008)
Углеводороды; соединения
типа CnHm
0,013–0,047
4–7 см3/м3 (0,00001)
11
Воздействие на человека при содержании
примеси в воздухе
0,01 – отравление при длительном
пребывании в воздухе, %; 0,05 –
отравление через 1 ч; 1,0 – потеря
сознания после нескольких вздохов
0,0001–0,0003 – восприятие запаха;
0,0013 – раздражение слизистых
оболочек; 0,004–0,008 – отек легких
0,0017 – раздражение слизистых
оболочек; 0,01 – отравление через 1 мин.
0,0005 – трудно переносима; 0,014 –
приводит к смерти через 10 мин.
0,007 – раздражение слизистых оболочек,
0,018 – осложнения
Раздражение
слизистых
оболочек,
в
соединении с окислами азота образуют смог
Наименование примеси
Содержание
в отработавших газах,
%
0,01–0,5 мг/л
(0,000038)
Воздействие на человека при содержании
примеси в воздухе
Твердый фильтрат
Загрязнение воздуха и воды, ухудшение
отработавших газов (сажа)
видимости
и несгоревшее топливо
Примечание. В скобках – допустимое содержание примесей в атмосферном воздухе.
4.4.1. Для дизеля с турбонаддувом:
G B  Gr
g e  N e     ПР  L0
,
3600 103
(14)
где gе – эффективный удельный расход топлива, г/(кВт*ч). Его величина берется из справочных
таблиц, если задан тип двигателя, или принимается из рекомендуемых значений:
– для МОД (nД < 225 мин-1) – 170…190;
– для СОД (225 < nД < 750 мин-1) – 195…220;
– для ВОД (nД > 750 мин-1) – 205…235;
– для маломощных двигателей (Ne < 100кВт) – 235…260;
α – коэффициент избытка воздуха при сгорании, выбирается по опытным данным:
– для МОД α = 1,7…2,2;
– для быстроходных двигателей α = 1,6…1,8
φпр – коэффициент продувки:
– для четырехтактных двигателей с наддувом φпр = 1,1…1,2;
– для двухтактных двигателей с наддувом φпр = 1,4…2,0.
L0 – 14,3 кг/кг – теоретическое количество воздуха, необходимое для сгорания 1 кг топлива.
При контурной системе газообмена продувочного воздуха требуется на 10…20%
больше, чем при прямоточной.
Для судовых двигателей малой мощности с наддувом коэффициент продувки
может доходить до 2,4.
4.4.2. Для газотурбинных двигателей:
GB   * L0 * B   * L0
Ne
,
eQНР
(15)
где α – коэффициент избытка воздуха, у современных ГТД α = 5…7;
L0 – 13,77 кг/кг для топлива ДТ–1 – теоретически необходимое количество воздуха для сжигания
1 кг топлива;
Ne – эффективная мощность ГТД, кВт;
ηe – эффективный КПД ГТД:
ηe = ηцик* ηк. с* ηм.
(16)
Здесь ηцик = 0,25…0,30 – КПД цикла;
ηк. с = 0,97…0,99 – КПД камеры сгорания;
ηм = 0,98…0,99 – механический КПД турбины и компрессора;
QНР = 40 500 кДж/кг.
Таким образом, мы располагаем количеством отработавших газов, что
непосредственно связано с определением характеристик их токсичности и величины
тепловых выбросов.
4.4.3. Определение количества токсичных газовых выбросов дизелей
Нормы выброса токсичных составляющих в настоящее время разработаны для
автомобильных и тепловозных двигателей (табл. 6). Имеются, нормы на выброс окиси
углерода (ГОСТ 17.2.2 .03-77), дымности дизелей (ГОСТ 19025-73 и ГОСТ 21393-75). Для
определения нормы выброса дизеля можно воспользоваться ГОСТ 24585-81, в котором
предусмотрено ограничение по выбросам токсичных газов судовыми, тепловозными и
промышленными дизелями при их стендовых испытаниях. Нормируются следующие
параметры выбросов:
– удельный выброс NOX – LNox;
– удельный выброс СО – Lco;
– выброс оксидов азота на 1 кг расхода топлива – L*NOx;
– выброс окиси углерода на 1 кг расхода топлива – L*СО.
12
Таблица 6
Удельная теплоемкость продуктов сгорания топлива
Компонент
Удельная теплоемкость, кДж/кгк (ккал/кг град.)
P = const
V = const
0,915(0,218)
0,65(0,156)
1,04(0,248)
0,74(0,177)
1,85(0,44)
1,38(0,33)
14,3(3,39)
10,1(2,41)
0,82(0,195)
0,82(0,195)
1,04(0,248)
0,74(0,177)
0,61(0,145)
0,48(0,144)
2,17(0,517)
1,64(0,39)
Кислород О2
Оксиды азота NOx
Водяной пар Н2О
Водород Н2
Диоксид углерода СО2
Оксид углерода СО
Диоксид серы SO2
Метан СН4
Примечание. Здесь С – удельная изобарная теплоемкость соответствующего компонента,
кДж/(м3 к).
Приведенные показатели определяются следующим соотношениями:
LNOx 
5.72 *10 * C G  0.974 *10 * G  ;
3
3
NOx
B
T
NE
3.48 *10 * C G  0.974 *10 * G  ;
L 
(17)
3
3
CO
CO
B
T
NE
(18)
G

L *NOx  5.72 *103 CNOx  B  0.974 *103  ;
 GT

(19)
G

L *CO  3.48 *103 CCO  B  0.974 *103  ,
 GT

(20)
где GB – расход воздуха кг/с;
GT – расход топлива, т/с;
NE – эффективная мощность дизеля, кВт;
CNOx – удельная теплоемкость оксида азота (зависит от температуры отработавших газов),
кДж/(кг к);
CCO – удельная теплоемкость окиси углерода, кДж/(кг к).
4.4.4. Определение токсичных газовых выбросов от ГТД
Газовые выбросы ГТД и ГТУ отличаются от дымовых газов других тепловых
двигателей и промышленного топливосжигающего оборудования тем, что в них продукты
сгорания сильно разбавлены избыточным воздухом. Коэффициент избытка воздуха в
выхлопных газах равен:
0 
GB
GT  L0
,
где GB и GT – секундные расходы топлива и воздуха кг/с;
L0 – теоретически необходимое количество воздуха для сжигания 1 кг топлива;
У ГТД массовые выбросы СО и СХНУ существенно ниже, чем в ДВС.
Окислы азота NOX обладают наибольшей токсичностью. В суммарной токсичности
выхлопных газов ГТУ на номинальном режиме их доля может достигать 90…95%. В
общем случае они могут быть как продуктом окисления азота воздуха («воздушные»
окислы азота), так и продуктом окисления азота, содержащегося в топливе («топливные»
окислы азота). Абсолютное их количество и соотношение между ними различны в
13
зависимости от содержания топливного азота и от факторов, влияющих на процессы
окисления.
Установлено, что в общем случае процесс образования воздушного окисла азота
NO является термическим, т.е. зависит от температуры в камере сгорания, но
непосредственно не связан с горением. Реакцию образования NO обычно записывают в
итоговой форме:
N2 + O2 ↔ 2NO.
В действительности же она имеет цепной механизм. Основное количество NO
образуется в послепламенной золе. Скорость реакции термического окисления азота
кислородом равна:
86000
43000
dNO 5 *1011

 e RT * (O2 N 2  e RT  NO 2 ) ,
d
O2
(21)
где τ – время, с;
Т – температура в реакционном объеме, К;
NO2, О2, N2 – концентрация компонентов конечной газовой смеси, моль/л.
Равновесная концентрация NO определяется зависимостью:
NO  4.6 O2 N 2  e
21500
RT
, %.
(22)
Действительное содержание NO в отработавших газах всегда будет ниже
равновесной концентрации. Это связано с тем, что для установления равновесных
концентраций требуется определенное время. Время установления равновесной
концентрации при температуре факела 1900…2100 К лежит в пределах 1,5…0,3 с (при
Рвоз = 0,1 МПа), а время нахождения газов в камере сгорания приблизительно на порядок
ниже (0,15…0,03 с).
Графики изменения равновесной концентрации NO (в % от объема (массы)
отработанных газов) в широком диапазоне температур показаны на рис. 1.
для определения концентрации окиси азота:
NO  ANOx  PB0.5   1.4  GB0.22  exp(
TB
),
250
(23)
где РВ, ТВ, GВ – соответственно, давление, температура и расход воздуха;
φ – отношение расходов топливо/воздух;
(GT/GB) – обратно пропорционально общему коэффициенту избытка воздуха α 0;
ANOx – коэффициент, зависящий от конструкции камеры сгорания, ANOx = 0,9…1,15.
Для корабельных предложил приближенную формулу
В работе «Газотурбинные двигатели и защита окружающей среды» В.А. Христич и
камер сгорания Е. Салливан А.Г. Тумановский для приближенной оценки концентрации
NO в процентах предложили выражение:
129000
,
(24)
16Р  0,23 1,15
1
) 1,1  ПР ( В
)
 К ФР  К / f
6 РВ  0,77 1 *
TФ
где ТФ – температура факела, К (ТФ = 1500…1800º С);
τпр – среднее время пребывания газов в объеме камеры сгорания (τпр = 0,03…0,05 с);
КФР – коэффициент, оценивающий влияние подвода воздуха в зону горения (КФР = 0,64…0,656);
Кf/ – коэффициент, учитывающий влияние качества смешивания в головной зоне камеры
сгорания – зависит от конструкции фронтового устройства, угла распыливания топливного факела,
дальнобойности струй воздуха, поступающего в зону
горения, и других конструктивных
параметров (Кf/ = 0,70…0,75);
R – газовая постоянная, R = 296 Дж/кг*К.
NO  (3.7 1012 O2 N 2  e RT 
Для определения концентрации других токсичных компонентов в отработанных
газах воспользуемся индексом эмульсии:
Ji = gi / GT,
(25)
где gi – эмиссия токсичного компонента, г/с;
GT – секундный расход топлива, кг/с.
14
Рис. 1. Графики изменения равновесной концентрации окиси азота NO
при разных температурах реакции в зависимости от α1
Индекс эмиссии зависит от полноты сгорания топлива (1 – ηz). Расчеты
показывают, что для удовлетворения норм на эмиссию СО и СХНУ на малых нагрузках
является снижение температурного уровня в реакционной зоне, тормозящее реакции
окисления и, следовательно, увеличивающее характеристическое время τгор задержки
воспламенения и сгорания (гомогенного сгорания горючей смеси до СО2). Это снижение
температуры связано с увеличением коэффициента избытка воздуха и уменьшением
степени повышения давления воздуха (εк).
4.4.5. Определение токсичных газовых выбросов
от корабельных котельных установок
Для определения количества газовых выбросов от корабельных котлов можно
использовать:
1) Методические указания по расчету выбросов загрязняющих веществ при
сжигании топлива в котлах производительностью до 30 т/ч. М.: Гидрометеоиздат, 1986;
2) РД 31.06.06-86. Методика расчета выбросов вредных веществ в атмосферу в
морских портах. М.: ММВ, 1986.
Анализ этих данных показывает, что выбросы SO2, NOХ, сажистых частиц (С)
увеличиваются с повышением нагрузки котла, а выбросы СО при этом уменьшаются.
Следует отметить, что выбросы NOХ в значительной степени зависят от
паропроизводительности котла .
Определим количество выбросов оксидов серы (SO2) при сжигании топлива в
котле:
/
"
GSO2  0.02B  S P (1   SO
2 )(1   SO1 )
,
(26)
где В – расход топлива, кг/с г/с;
SP – содержание серы в топливе, %;
η/SO2 – доля оксидов серы, связываемых летучей золой. Принимается при сжигании мазута:
/
η SO2 = 0,02, газа η/SO2 = 0;
η//SO2 – то же, улавливаемых в золоуловителе.
Количество выбросов СО для котлов паропроизводительностью GК ≤ 30 т/г
определяется соотношением:
15
GCO = 0,001 CCO B(1 – q4 /100) ,
(27)
где В – расход топлива, кг/с;
ССО – выход оксида углерода при сжигании топлива:
ССО = q3 R QPH,
где q3 – потери теплоты вследствие химической неполноты сгорания, %. Принимается: для мазута
q3 = 0,5%; для газа q3 = 0; дрова, опилки, торф q3 = 2%;
R – коэффициент, учитывающий потери теплоты, обусловленные присутствием в продуктах
неполного сгорания СО. Принимается: для твердого топлива R = 1; для газа R = 0,5; для мазута R = 0,65;
q4 – потери теплоты вследствие механического недожога. Принимается: для твердого топлива
q4 = 2%; для мазута и газа q4 = 0.
Ориентировочно можно оценить выбросы СО по формуле:
GCO = 0,001 B QPH kCO(1– q4/100),
(28)
где kCO – количество СО, образующегося на единицу тепла, выделившегося при горении топлива.
Принимается: для мазута kCO = 0,32 кг/КДж; для газа kCO = 0,25 кг/КДж.
Количество оксидов азота (в пересчете на NO2), выбрасываемых за единицу
времени, определяется по формуле:
GNO2 = 0,001 B QPH kNO2(1 – β),
(29)
где В – расход топлива, кг/ч, кг/с;
kNO2 – параметр, характеризующий количество оксидов азота, образующихся на 1 Г Дж тепла,
кг/Г Дж (табл. 7);
β – коэффициент, учитывающий степень снижения выбросов NOx в результате технических
решений.
Для котлоагрегатов производительностью GNO2 > 30 т/ч количество NOx
определяется следующей формулой:
GNO2 = 3,4*10-5*к*В* QPH(1 – q4/100)* β1*(1 – β2*r) β3,
(30)
где GNO2 – коэффициент, характеризующий выход NO2, кг на 1 т условного топлива (условное
топливо – это топливо с QPH = 7000 ккал/кг):
– при GК > 70 т/ч, к = 12 Gкф/(200 + Gкн);
– при GК < 70 т/ч, к = 12 Gкф/20;
β1 – поправочный коэффициент, учитывающий влияние качества сжигаемого топлива на выход
NOx. Принимается:
– при α > = 1,05, β = 0,8;
– при α < = 1,05, β = 0,7;
β2 – коэффициент, характеризующий эффективность воздействия рециркулирующих газов на
выход NOx в зависимости от условий подачи их в топку;
z – степень рециркуляции дымовых газов;
β3 – коэффициент, учитывающий конструкцию горелок. Принимается: для вихревых горелок
β3 = 1; для прямоточных горелок β3 = 0,85;
Gкф, Gкн – фактическая и номинальная производительность котла, т/ч.
Таблица 7
Значения kNO2 в зависимости от паропроизводительности
и тепловой мощности котла
GК, т/ч
kNO2, кг/ГДж
Qк, кВт
kNO2, кг/ГДж
0,5
0,08
4
0,0332
1,0
0,0834
8
0,0432
2,0
0,0875
20
0,0581
3,0
0,0928
60
0,0706
5,0
0,0957
100
0,0791
10,0
0,0987
200
0,0832
20,0
0,1030
1000
0,0915
30,0
0,1063
2000
0,0981
–
–
10000
0,1040
16
Итак, определены величины сбросов и выбросов на корабле. Теперь следует выбрать
способ очистки жидких отходов, оценить токсичность корабельной энергетической
установки, оценить
ущерб от сброса загрязняющих веществ, оценить ущерб от
загрязнения атмосферного воздуха.
5. Определение токсичности корабельной энергетики
Для определения токсичности отработанных газов следует определить
концентрацию вредных веществ в атмосферном воздухе в месте базирования кораблей. Для
этого существует нормативный документ ОНД-86, на основании которого производится
расчет приземных концентраций токсичных веществ в атмосферном воздухе.
В зависимости от высоты устья источника выброса над уровнем земной
поверхности, указанный источник относят к одному из четырех классов:
а) высокие источники, Н0 > 50 м;
б) источники средней высоты, Н0 = 10…50м
в) низкие источники, Н0 = 2…10 м;
г) наземные источники, Н0 < 2 м.
Корабельные источники выброса отработанных газов относятся к источникам
средней высоты и низким источникам в зависимости от главных размерений корабля.
При одновременном совместном присутствии в атмосфере нескольких вредных
веществ, обладающих суммирующим вредным воздействием, концентрация данных
веществ приводится к одному вредному ингредиенту и рассчитываются по формуле:
C = C1 + C2ПДК1/ПДК2 + …+ Сn ПДК1/ПДКn,
(31)
где С1 – концентрация вещества, к которому осуществляются приведения, мг/м 3;
ПДК1 – его предельно допустимая концентрация, мг/м3 (табл. 8);
C2… Сn, ПДК2… ПДКn – концентрации и ПДК других веществ, входящих в рассматриваемую
группу суммации.
В расчетах часто используется безразмерная концентрация q, определяемая по
формуле:
q = с1/ПДК1 + с2/ПДК2 +…+ сn/ПДКn ≤ 1.
(32)
3
Максимальное значение приземной концентрации вредного вещества См мг/м , при
выбросе отработанных газов одиночного точечного источника с круглым устьем
достигается при неблагоприятных метеорологических условиях на расстоянии Хм, м, от
источника и определяется по формуле:
См =
,
(33)
где А – коэффициент, зависящий от температурной стратификации атмосферы (для различных регионов
России значение коэффициента разнится, и для региона Дальнего Востока и Сибири А = 200);
М – масса вредного вещества, выбрасываемого в единицу времени, г/с.
F – безразмерный коэффициент, учитывающий скорость оседания вредных веществ в
атмосферном воздухе. Значение коэффициента принимается: а) для пыли, сажи F = 1; б) для
аэрозолей при среднем эксплуатационном коэффициенте очистки выбросов не менее 90% F = 2;
от 75 – до 90% F=2,5; менее 75% и при отсутствии очистки F = 3;
m, n – коэффициенты, учитывающие условия выхода отработанных газов из устья источника.
H0 – высота источника выброса отработавших газов над уровнем земли, м;
η – безразмерный коэффициент, учитывающий влияние рельефа местности в случае ровной или
слабопересеченной местности с перепадом высот, не превышающих 50 м на 1 км, η = 1;
Т – разность между температурой выбрасываемых газов Т ух и температурой окружающего
атмосферного воздуха Т0, °С. Определение Т производится из следующих соображений: температура
окружающего воздуха принимается по средней температуре наиболее жаркого и холодного месяцам
[для Владивостока – Т0 = (–10,5°), (+23,6°)];
Vг – объем отработанных газов, м3/с.
В формуле (33) все составляющие известны, за исключением коэффициентов m и n.
Эти коэффициенты зависят от параметров f, υm, υ/ m, fс. Значения этих параметров
определяется формулами:
f = 1000*(ω20*D0)/(H20*∆T);
(34)
17
Таблица 8
Предельно допустимые концентрации токсичных компонентов продуктов сгорания
сажа
окись
углерода
С
СО
в пересчете
на
бензин
–
3,5
20
ПДКСС
0,15
0,05
ПДКМР
Токсичные компоненты, мг/м3
0,5
0,15
пыль
ПДК
альдегиды
окислы азота
соединения
серы
С20Н12
Н2О
Н2СО
NO
NO2
SO2
H2SO4
300
0,00015
0,7
0,05
30
9
–
–
1
2,5
0,000001
0,03
0,012
–
0,085
0,05
0,1
3
5
–
0,03
0,035
–
0,085
0,5
0,3
–
В воздухе населенных мест
На рабочем
месте
углеводороды
(СхНу)
Примечания:
1. ПДКМР – предельно допустимая концентрация максимально разовая;
2. ПДКСС – предельно допустимая концентрация среднесуточная.
 М  0,653
 V/  1.3
VГ Т
;
Н0
0 * D0
H0
(35)
;
(36)
(37)
Fe = 800(ν/v),
где ω0 – скорость выхода отработанных газов из источника, м/с;
D0 – диаметр устья источника выброса, м.
Коэффициент m определяется по формулам:
m
1
0.67  0.1 f  0.343 f
m
1.47 при f ≥ 100.
3
f
при f < 100;
(38)
(39)
Коэффициент n определяется в зависимости от параметра υm из следующих
соображений:
n = 1 при VM ≥ 2;
(40)
n = 0,532 v2М – 2,13 vМ + 3,13 при 0,5 ≤ vМ < 2;
(41)
n = 4,4 при vМ < 0,5.
(42)
Расстояние хм, м, от источника выбросов, на котором приземная концентрация С,
мг/м3, при неблагоприятных метеоусловиях достигает максимального значения См,
определяется по формуле:
ХМ 
5 F
d * H0 ,
4
(43)
где d – безразмерный коэффициент, зависящий от параметров f, υm, υ/m.
При f < 100 коэффициент d определяется формулами:
d = 2,48·(1 + 0,28fe1/3) vМ < 0,5;
d = 2,48·(1 + 0,28 f1/3)0,5 < vМ ≤ 2;
18
(44)
(45)
d = 7√ vМ·(1 + 0,28 f1/3) vМ > 2.
(46)
Определим значения опасной скорости ветра uм, м/с, на уровне флюгера (обычно
10 м от уровня земли), при которой достигается наибольшее значение приземной
концентрации вредных веществ См. В случае, когда f < 100, uм определяется по следующим
соображениям:
uм = 0,5 при uм ≤ 0,5;
(47)
uм = υМ при 0,5 < uм ≤ 2;
(48)
uм = vМ(1 + 0,12√f) при uм > 2.
(49)
В случае, когда f > 100, значения uм вычисляются по формулам:
uм = 0,5 при υ/М ≤ 0,5;
(50)
uм = υ/М при 0,5 < υ/М ≤ 2;
(51)
uм = 2,2 υ/М при υ/М > 2.
(52)
Максимальное значение приземной концентрации вредного вещества См, мг/м3, при
неблагоприятных метеоусловиях и скорости ветра u, отличающейся от опасной скорости
ветра uм рассчитывается по формуле:
Сми = r·См.
(53)
где z – безразмерная величина, определяется в зависимости от отношения u/uм по рис. 5.
Расстояние от источника выброса при этом вычисляется по формуле:
Хмп = р·Хм.
(54)
где р – безразмерная величина, определяемая по отношению u/uм (см. рис. 5).
При опасной скорости ветра uм приземная концентрация вредных веществ С, мг/м3,
в атмосфере по оси факела выброса на различных расстояниях Х от источника выброса
находится по формуле:
С = S·CM.
(55)
где S – безразмерный коэффициент, зависящий от отношения Х/Хм, определенный по рис. 6.
При определении концентрации от группы источников загрязнения атмосферы,
например, кораблей, стоящих у пирса, поступают следующим образом:
С = С1 + С2 + С3 +…+ Сn,
(56)
где С1, С2, С3, Сn – концентрация вредного вещества первого, второго, n-го корабля (источника)
соответственно, расположенных с наветренной стороны при рассматриваемом направлении ветра.
Значение максимальной суммарной концентрации См, мг/м3, от N объединенных
источников, имеющих равное значение высоты, диаметра устья, скорости выхода в
атмосферу и температуры отработанных газов определяется по формуле:
СM 
A * M * F * m * n *
N
,
3
2
H0
 V Г * Т
(57)
где М – суммарная мощность выброса всеми источниками в атмосферу, т/с;
∑Vг – суммарный выход отработанных газов всех источников, м3/с.
Значение параметра uм определяется по формуле:
 М  0,653  Г
V * Т
.
(58)
N * H0
В остальном схема расчета концентраций, обусловленных выбросами от групп
источников, объединенных в один, не отличается от схемы, приведенной для однотипного
точечного источника.
6. Проектирование средств по предотвращению загрязнения водоемов
льяльными, нефтесодержащими водами
При расчете отстойника, работающего по перекрестной схеме (рис. 7), расчетными
величинами являются длина яруса Lbe и производительность отстойника qset. Длина
определяется по формуле:
19
 W  hti
* k dis ,
0
Lbl 
(59)
где Vw – скорость потока воды в ярусе отстойника, мм/с, принимается в соответствии с
требованиями СНиП 2.04.03-85 (см. табл. 10);
hti – высота яруса, м, принимается в пределах 0,025…0,2 м (при высоких концентрациях
рекомендуется принимать большие значения);
kdis – коэффициент сноса выделенных частиц (при плоских пластинках kdis = 1,2, при рифленых
kdis = 1,0);
ν0 – гидравлическая крупность задерживаемых частиц, которую рекомендуется определять в
слое, равном высоте яруса hti.
Гидравлическая крупность задерживаемых частиц определяется по формуле:
0 
1000Н set  k set
,
k  H set n 2
t set ( set
)
h1
(60)
где Hset = hti – высота яруса;
Kset – коэффициент использования объема проточной части отстойника (для отстойника с
тонкослойными блоками и прямоточной схеме работы Kset = 0,5…0,7, при перекрестной схеме
работы Kset = 0,8);
tset – продолжительность отстаивания, соответствующая заданному эффекту очистки и
получения в лабораторном цилиндре в слое h1 = 500 мм (значения tset приведены в табл. 11).
n2 – показатель степени, зависящий от агломерации взвеси в процессе осаждения-всплытия
(n2 = 0,15…0,32), причем меньшие значения соответствуют большей концентрации Н пр.
Производительность отстойника qset определяется по формуле:
q set 
7.2k set  H bl  Lbl  Bbl
,
k dis  hti
(61)
где Вbe – ширина тонкослойного блока, назначается исходя из допустимого листа выбранного для
тонкослойного блока (δ = 3…5 мм).
Kdis – коэффициент сноса выделенных частиц, принимается при плоских пластинках Kdis = 1,2,
при рифленых Kdis = 1.
Hbl – высота тонкослойного блока, м;
Lbl – ширина тонкослойного блока, м.
Приступая к проектированию системы по очистке льяльных вод, следует выбрать
способ их очистки. Способы очистки с указанием их эффективности показаны в табл. 9.
Таблица 9
Способы очистки нефтесодержащих вод от нефтепродуктов
пп.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Способы очистки
Концентрация НПр, мг/л
до очистки
после очистки
10…100
2…10
20…80
2…4
2…100
15…20
Биохимический
Озонирование
Коагуляция сернокислым алюминием
Флотация:
- напорная
- импелерная
- струйная
- электрическая
Гравитационный отстой
Коалесценция
Сорбция
Микродуговой разряд
Магнитно-жидкостный
3…100
300…600
120…500
–
2500…3000
120…600
20…50
89…100
500…600
20
2…25
120…200
2…5
5
300…600
20…50
05…10
05…57
20…15
пп.
Способы очистки
10
Фильтрация:
- через дробленый антрацит
- через активный уголь БАУ-20
-через капиллярно-пористые элементы
- жидкостная с использованием пористых
материалов
Нефтеловушка с применением пористых
материалов
11
Концентрация НПр, мг/л
до очистки
после очистки
3…20
2…20
45…350
229…57300
2…3
15…2
8
104…30
5…100
35…45
Рис. 7. Схема тонкослойного отстойника, работающего
по перекрестной схеме удаления осадка
Таблица 10
Скорость рабочего потока Vw и величина турбулентной составляющей vtb
Vw, мм/с
vtb, мм/с
5
0
10
0,05
15
0,1
Таблица 11
Время отстаивания, соответствующее эффекту очистки
Эффект очистки
(осветления), %
20
30
40
50
60
Продолжительность отстаивания tset, с, в слое hi = 500 мм
при концентрации Нпр, мг/л
200
300
400
600
540
480
960
900
840
1440
1200
1080
2100
1800
1500
7200
3600
2700
Строительная ширина Встр отстойника
Встр = 2 Hbl + b1 + 2b2 ,
(62)
где b1 = 0,25 м, b2 = 0,05…0,1 м.
После определения длины яруса отстойника Lbl, исходя из возможных размеров
материала, применяющегося для параллельных пластин, назначается длина пластины в
ярусе и количество блоков (модулей), расположенных на одной прямой.
Строительная высота отстойника Нстр определяется соотношением:
Нстр = Hbl + h3 + hm + 0,3,
(63)
где h3 – высота необходимая для расположения рамы, на которой устанавливаются блоки,
h3 = 0,2…0,3; hm = 0,1.
Строительная длина отстойника Lстр:
Lстр = Lb + l1 + l2 + 2l3 + l4,
(64)
где l1 – зона для выделения крупных гранул. Объем этой зоны рассчитывается на
2-3-минутное пребывание потока;
k*set – коэффициент использования этой зоны (k*set = 0,3);
l1 – 0,2 м при изменении пропорционального устройства и l2 = 0, если распределение потока
осуществляется дырчатой перегородкой (l3 = 0,2…0,25 м, l4 = 0,15…0,2 м).
21
В настоящее время применяется большое количество конструктивных
разновидностей тонкослойных отстойников, работающих на противоточной схеме. Все они
практически могут быть сведены к двум расчетным схемам, показанным на рис. 8 и 9.
В конструкции отстойника, показанного на рис. 8, расчетной являются длина
пластины в блоке (модуле) Lbl и производительность секции qset.
Рис. 8. Схема тонкослойного отстойника, работающего
по противоточной схеме удаления примесей:
а) тяжелых примесей; б) легких примесей (масла, нефтепродукты и т.п.)
Длина пластины Lbl рассчитывается по формуле:
Lbl = νw hti/ ν0,
(65)
где νw – скорость потока в ярусе.
hti – высота яруса.
Производительность одной секции
qset = 3,6·k*set Hblνw,
(66)
где Hbl = nti*bn,
nti – количество ярусов в блоке, которое назначается из конструктивных соображений;
bn – определяется по формуле:
bn = hti cosα,
α = 45…60º.
Ширина секции отстойника назначается из конструктивных соображений и исходя
из размеров пластин, предназначающихся для изготовления блоков. Все размеры других
узлов отстойника (ширина резервуара отстойника, его строительная глубина и т.п.)
назначаются из конструктивных соображений.
За расчетные параметры тонкослойного отстойника (см. рис. 9) принимают длину
пластин в блоке Lbl и длину расположения тонкослойных блоков Lb. Величина Lbl
определяется по формуле (65), а Lb – по формуле:
Lb = qset/3,6 kset νw Вbl,
(67)
где qset – расход сточных вод на секцию, м3/ч.
22
Общая длина L0стр отстойника
L0стр = Lb + l1n + l2n + l3n + l4n + lлn,
(68)
где l1n – длина зоны по условию формирования потока перед распределением между ярусами,
принимается l1n = 1…1,5;
l2n = Lbl sin(90-α);
l3 = 0,3 м; l3 = 0,05…0,10 м; lлn = 0,4…0,5 м.
Общая глубина в отстойнике Нстр определяется как сумма высот различных зон:
Нстр = hm + h2 + h3 + h4 + h5,
(69)
n
n
где h2 = Lbl*sinα;
hm ≥ 0,1 м; h3 = 0,2…0,5 м; h4 = 0,1…0,2 м; h5 = 0,3 м.
Рассчитаем удельный объем образующего осадка Qmud, м3/ч, и способ его удаления
и утилизации:
Qmud 
qw (Cen  Ctx )
(100  Pmud )  mud
10 4
,
(70)
где qw – расход сточных вод, м3/ч;
Cen – концентрация НПР в сточной воде поступающей в отстойник, мг/л;
Cex – концентрация НПР в сточной воде, вытекающей из отстойника, мг/л;
Pmud – влажность осадка, %;
ρmud – плотность осадка, г/см3.
Рис. 9. Схема отстойника, оборудованного тонкослойными блоками,
работающего по противоточной схеме удаления примесей:
а) тяжелых примесей; б) легких примесей (масла, нефтепродуктов и т.п.)
7. Гидроциклоны
Для механической очистки сточных вод от взвешенных веществ допускается
применять открытые и напорные гидроциклоны.
Для расчета и проектирования установок с открытыми гидроциклонами должны
быть заданы те же параметры по воде и загрязнению, что и для отстойников, а именно:
– общее количество сточных вод, м3/ч;
– температура сточных вод, º С;
– периодичность образования сточных вод;
– механические примеси, мг/л;
– нефтепродукты, мг/л;
– плотность механических нефтепродуктов;
– требуемая степень очистки или допустимое содержание загрязнений, мг/л;
– гидравлическая крупность частиц, которую необходимо выделить для
обеспечения требуемой степени очистки, мм/с.
23
Основной расчетной величиной открытых гидроциклонов (см. рис. 10, 11, 12)
является удельная гидравлическая нагрузка, определяемая по формуле:
qhc = 3,6 khc u0,
(71)
где u0 – гидравлическая крупность частиц, которые необходимо выделить для обеспечения
требуемого эффекта, мм/с;
khc – коэффициент пропорциональности, зависящий от типа гидроциклона и равный для
гидроциклонов:
– без внутренних устройств, khc = 0,61;
– с конической диафрагмой и внутренним цилиндром, khc = 1,98;
– многоярусного с центральными выпусками:
k yc 
0.75nti ( Dhc2  d d2 )
,
Dhc2
где nti – число ярусов;
Dhc – диаметр гидроциклона, м;
dd – внутренний диаметр диафрагмы, м;
– многоярусного с периферийным отбором осветленной воды:
khc 
1.5nti ( Dhc2  d d2 )
,
Dhc2
где n/ti – число пар ярусов.
Рис. 10. Схема многоярусного
гидроциклона
с центральными выпусками
Рис. 11. Схема многоярусного
гидроциклона с периферийным отбором
очищенной воды
Производительность одного аппарата рассчитывается по формуле:
Qhc = 0,785qhc D2hc.
Исходя из общего количества единиц гидроциклонов:
N = Qw/Qhc.
(72)
(73)
После назначения диаметра аппарата и определения их количества по табл. 12
подбираются основные размеры гидроциклонов. Угол наклона образующей конических
диафрагм в открытых гидроциклонах в каждом конкретном случае должен задаваться в
зависимости от свойств выделяемого осадка, но не менее 45º.
Диафрагмы в открытых гидроциклонах могут быть выполнены как из стали, так и
из неметаллических материалов.
В распределительном канале пропорционального водораспределительного
устройства многоярусного гидроциклона скорость восходящего потока должна быть не
менее 0,4 мм/с.
24
Таблица 12
Основные размеры гидроциклонов
Наименование
Единица
Тип гидроциклонов по рисункам
конструктивного
измерения
7, а
7, б
7, в
8
9
элемента
Диаметр аппарата
м
2–10
2–6
2–6
2–6
2–6
Высота
цилиндрической
доля от Dhc
Dhc
Dhc
Dhc + 0,5
–
–
части Н
Размер выпускного
определяется
«
0,07
0,05
0,05
патрубка
по скорости входа
Количество
шт.
2
2
2
3
3
впусков n1
Угол конической
град.
60
60
60
60
60
части α
Угол конуса
«
–
90
90
90–60
90–60
диафрагм β
Диаметр
0,9  1,6 м *
центрального
доля от Dhc
–
0,5
0,5
0,6–1,4 м
0,6  1,0
отверстия в
диафрагме dd
Диаметр
внутреннего
То же
–
–
0,88
–
–
цилиндра D1
Высота
внутреннего
«
–
–
1,0
–
–
цилиндра Н1
Высота
водосливной
м
–
0,5
0,5
0,5
0,5
стенки над
диафрагмой Н2
Высота
В долях от
водосливной
Dhc
Dhc + 0,2
Dhc + 0,2
Dhc + 0,2
Dhc + 0,2
Dhc
стенки D2
Диаметр
полупогруженной
То же
Dhc – 0,2
Dhc
Dhc
Dhc
Dhc
кольцевой
перегородки D3
Высота ярусов hti
м
–
–
–
0,1–0,25
0,1–0,2
Число ярусов nti
шт.
–
–
–
4–20
4–20
Зазор между
корпусом и
м
–
0
0
0,05–0,07
0,1–0,15
диафрагмой ∆D
Ширина
шламоотводящей
«
–
–
–
0,1–0,15
–
щели b
Скорость потока на
м/с
0,3–0,5
0,3–0,5
0,3–0,5
0,3–0,4
0,3–0,4
входе в аппарат ubn
Скорость потока на
входе в раструб
«
–
–
–
≤ 0,1
–
выпуска uвых
Количество
выпусков из яруса
шт.
–
–
–
3
–
n3
* Над чертой показан размер нижней диафрагмы пары ярусов, под чертой – верхней.
Напорные гидроциклоны
Этот тип гидроциклонов позволяет успешно решать следующие технологические
задачи; осветление сточных вод, например, автохозяйств (удаление песка, глины и других
25
минеральных компонентов), нефтепромыслов (удаление Нпр и шлама), мясокомбинатов
(удаление жира, твердой фазы минерального и органического происхождения) и т.д.
Одной из важных особенностей гидроциклонов является значительная корреляция
производительности
и
эффективности
разделения
суспензий
с
основными
технологическими и конструктивными параметрами аппаратов.
Наибольшее значение коэффициентов корреляции имеют параметры: диаметр
цилиндрической части гидроциклона Dhc; площадь питающего патрубка Fbn; диаметры
сливного и шламового патрубков dbx, dшл; высота цилиндрической части Нц; угол
конусности конической части α; перепад давления в гидроциклоне ∆Р = Рen – Pex;
концентрация суспензии на входе в гидроциклон Cen; размеры и плотность частиц твердой
фазы суспензии dср, ρт.
Основные размеры напорного гидроциклона подбираются по данным заводов
изготовителей (табл. 13), при этом следует учитывать: диаметры питающего den и сливного
dex патрубков должны отвечать соотношениям den/ dex = 0,5…1,0, den/ Dhc = 0,12…0,4.
Диаметр питающего патрубка должен α
d en  (
Dhc  d ex
)
2
,
(74)
где ∆ – толщина стенки сливного патрубка; dшл – диаметр шламового патрубка назначается из
соотношения dшл/ dex = 0,2…1,0 (для предупреждения засорения шламового патрубка его
минимальный размер должен в 6–8 раз превышать максимальный размер частиц загрязнений);
Нц – высота цилиндрической части для гидроциклонов-осветителей должна приниматься:
Нц = (2…4)Dhc; для гидроциклонов – сгустителей: Нц = (1…2) Dhc.
Рис. 12. Схема напорного гидроциклона
Угол конусности α конической части следует принимать для гидроциклонов –
осветителей 5…15º, для гидроциклонов-сгустителей – 20–45 º.
В зависимости от особенностей решаемых технологических задач могут
применяться двухпродуктовые и многопродуктовые (рис. 13) напорные гидроциклоны. В
последнем случае аппараты имеют несколько сливных трубопроводов, отводящих целевые
продукты из различных зон восходящего вихревого потока гидроциклонов. Такие
конструкции аппаратов, как правило, применяются при разделении многофазных сред.
За последние годы в ряде отраслей промышленности широко применяются
мультигидроциклоны – монолитные или сборные блочные конструкции, включающие
десятки или сотни единичных напорных гидроциклонов, имеющие единые питающие,
сливные и шламовые камеры.
Путем создания мультигидроциклонов успешно реализуется возможность
промышленного применения высокоэффективных двухпродуктовых и многопродуктовых
напорных гидроциклонов с малым диаметром цилиндрической части от 8 до 75 мм.
26
Таблица 13
Размеры основных узлов и деталей двухпродуктовых гидроциклонов
Наименование
узлов и деталей,
ГЦ-150К*
ГЦ-250К*
ГЦ-360К*
ГЦ-500К*
технологические
параметры
Внутренний
диаметр
150
250
350
500
цилиндрической
части Dhc, мм
Сечение вкладыша
питающего
патрубка на входе в
15х45
30х65
40х90
55х140
гидроциклон bхh,
мм
Диаметр патрубка
50
80
100
150
питающего den, мм
Насадок сливной
40
65
90
130
dex, мм
Патрубок сливной
65
100
125
150
dex, мм
Патрубок
12; 17; 24
17; 24; 34
24; 34; 48
34; 48; 75
шламовый dшл, мм
Угол конусности
конической части α,
20
20
20
20
град
Масса
94
209
344
605
гидроциклона, кг
Объемная
производительность
12–35
30–85
55–160
98–281
Qеп м3/ч, при
Pen= 0,03–0,25, МПа
Граничная
крупность
28–95
37–135
44–180
52–240
разделения δГР, мкм
*ГЦ – сокращенное название гидроциклона; цифры – внутренний диаметр цилиндрической
части, мм; К – внутренняя поверхность стенок аппарата футерована каменным литьем.
Для выделения из сточных вод частиц механических загрязнений крупностью
δ = 50…100 мкм (табл. 13) рекомендуются конструкции напорных гидроциклонов малых
диаметров, выпускаемых Усолье-Сибирским заводом горного оборудования. Для
выделения из сточных вод мелкодисперсных механических примесей и сгущения осадка –
гидроциклоны опытно-экспериментального завода Дзержинского филиала Ленниихиммаш
(табл. 14).
Гидроциклоны малых диаметров объединяются в батареи и блоки
(мультициклоны), что позволяет при обеспечении требуемого эффекта очистки и
производительности добиться максимальной компактности установки.
Батарейные гидроциклоны имеют единую систему питания, а также системы сбора
верхнего и нижнего продуктов разделения. Батарейный гидроциклон, состоящий из
12 аппаратов Dhc = 75 мм, имеющий производительность 60–70 м3/ч, изготовляет опытноэкспериментальный завод Ленниихиммаш. Материал – нержавеющая сталь.
Аппарат рекомендуется к применению в технологических процессах очистки
производственных сточных вод литейных, стекольных, керамических производств и т.д.
Опытно- экспериментальный завод Дзержинского филиала Ленниихиммаш изготавливает
батарейные гидроциклоны, включающие шесть единичных гидроциклонов Dhc = 125 мм
(den = 25 мм, den = 35 мм, dшл = 12 мм, α = 10º). С целью сокращения расхода шлама и
повышения надежности работы батареи единичные гидроциклоны снабжаются
автопульсирующими шламовыми патрубками.
Производительность батарейного гидроциклона при давлении питания 0,4 МПа –
120 м3/ч. Материал – нержавеющая сталь.
27
Центральным
научно-исследовательским
институтом
крахмало-паточной
промышленности (ЦНИИКПП) разработаны конструкции мультигидроциклонов марок
ГБ-2, ГБ-3, ГБ-6, ГБ-7, ГБ-8 (табл. 15). Серийное производство аппаратов осуществляет
Кореневский опытный завод ЦНИИКПП.
Рис. 13. Схема трехпродуктового
напорного гидроциклона
Единичные аппараты изготавливают из пластмасс. Основные геометрические
размеры и технологические параметры мультигидроциклонов приведены в табл. 15.
Назначение аппаратов: разделение суспензий картофеле- и кукурузокрахмального
производства. В технологии очистки сточных вод мультигидроциклонов ЦНИИКПП
рекомендуется применять для механической очистки промышленных стоков, содержащих
минеральные частицы размером δ = 200 мкм и плотностью ρт = 2,1 г/см3. Для
проектирования гидроциклонных установок должны быть приведены данные о
характеристике сточных вод и механических загрязнений.
28
Таблица 14
Размеры основных узлов и деталей многопродуктовых гидроциклонов
ГН-80
ГНС-100
ГНС-125
ГНС-160
ГНС-200
60
80
100
125
160
200
Питающего патрубка
den, мм
4, 6, 8
6, 8, 12
8, 12, 16
10, 12,
16, 20
12, 16,
20, 25
16, 25,
32, 40
20, 25,
32, 40, 50
25, 32,
40, 50, 60
32, 40,
50, 60, 80
Сливного патрубка
dex, мм
5, 8, 12
8, 12, 16
12, 16, 20
16, 20, 32
20, 32, 40
25, 32,
40,50
32, 40,
50, 60
40, 50,
60, 80
50, 60,
80, 100
Шламового патрубка
dшл, мм
3, 4, 5
4, 5, 6
5, 6, 8
6, 8, 10,
12
8, 10, 12,
16
8, 10, 12,
16
10, 13,
16, 20, 25
12, 16,
20, 25
16, 20,
25, 32, 40
29
ГНС-500
ГН-60
40
Угол конусности
5, 10, 15,
5, 10, 15,
10, 15,
конической части α,
5, 10, 15
5, 10, 15
10, 15, 20 10, 15, 20 10, 15, 20
20
20
20, 30
град.
Высота
40, 80,
25, 50,
60, 120,
80, 160,
100, 200,
125, 250,
160, 320,
200, 400,
цилиндрической
60, 120,
75, 100
180, 240
240, 320
300, 400
375
480
600
части Нц, мм
160
Глубина погружения
50, 64,
64, 80,
800, 100,
сливного патрубка
10, 16, 25 16, 25, 32 25, 32, 40 32, 40, 64 40, 64, 80
80, 100
100, 120
120, 160
Нк, мм
Объемная
10,2производительность
0,3-1,1
0,6-2,2
1,1-3,7
1,8-6,4
2,7-10,1
4,4-21,1
6,7-31,8
47,4,16,33
Qen м /ч, при
78,7
Pen = 0,1, МПа
Граничная крупность
2,3-64
2,3-84,9
3,4-92,9
4,3-103,0
6,1-150
6,6-311
89-330,0
10,5-342
разделения δГР, мкм
*ГН – гидроциклон напорный с монолитными элементами, ГНС – со сборными элементами рабочей камеры.
ГНС-400
ГН-40
25
Диаметр
цилиндрической
части Dhc, мм
ГНС-320
ГН-25
Наименование узлов
и деталей, технологические параметры
ГНС-250
Тип гидроциклона*
250
320
400
500
40, 60,
50, 80,
100
60, 80,
100, 125
16, 20,
25, 32,
40, 50
50, 60,
80, 100,
125
80, 100,
125, 160
20, 25,
32, 40,
40, 50
60, 80,
100, 125,
160
100, 125,
160, 200
10, 15,
20, 30
10, 15,
20, 30
15, 20,
30, 45
15, 20,
30, 45
250, 500,
750
320, 500,
750
400, 500,
800
500, 750,
1000
120, 160,
200
120, 160,
200, 250
160, 200,
250, 320
200, 250,
320, 400
16,3-78,7
24,05117,3
37,67180,3
54,6-282
12,5413,3
15,3-685
17,5-745
20,5-884
25, 32,
40, 50, 60
Таблица 15
Основные геометрические размеры и технологические параметры
мультигидроциклонов
Наименование узлов
и деталей,
технологические
параметры
Единичный
гидроциклон:
- диаметр
цилиндрической части
Dhc, мм;
- размер
питающего патрубка
den, мм;
- диаметр сливного
патрубка dex, мм;
- диаметр
шламового патрубка
dшл, мм;
Угол конической
части α, град
Число гидроциклонов
в выпускаемых
блоках, шт.
Тип мультигидроциклонов
ГБ-6**
ГБ-7**
ГБ-2*
ГБ-3*
20
20
20
20
20
2х5
2х5
2х5
2х5
2х5
6
6
6
6
6
3
3
3
3
3
10
10
10
10
10
29
48
16
24
48
0,4–0,5
0,4–0,5
15,0
25,0
1336
440
400
96
1410
477
400
133
Давления питания
0,4–0,5
0,4–0,5
0,4–0,5
мультигидроциклонов
Pen, МПа
Объемная
15,0
25,0
8,0
производительность
Qen м3/ч,
при Pen = 0,1, МПа
Габариты блока
мультигидроциклонов,
мм:
- высота
1017
1147
1243
- ширина
475
475
374
- длина
475
475
400
Масса блока
250
290
60
мультигидроциклонов
*Мультигидроциклоны первого выпуска.
** Модернизированная конструкция мультигидроциклонов.
ГБ-8**
Расчет многоступенчатого флотатора со струйной аэрацией
для очистки морских НСВ
Под струйной аэрацией понимают аэрацию жидкости, осуществляемую при
проникновении через ее свободную поверхность незатопленной свободной струи,
образованной той же жидкостью, что и аэрируемая (рис. 14).
Захват воздуха падающей струей определяется, в основном, степенью нарушения ее
сплошности, когда при слиянии отдельных объемов и капель струи с массой покоящейся
жидкости происходит защемление воздуха и внедрение его вглубь жидкости в структуре
затопленного течения струи.
Показатели такой чистки определяются многими гидродинамическими и физикохимическими факторами. В частности, степень извлечения Hпр при флотационной
обработке, длины факела пузырьков, солесодержания, размера частиц Hпр уменьшается с
увеличением диаметра пузырьков и их характерного размера в поперечном сечении
флотокамеры.
30
Рис. 14. Флотационная машина пневматического типа с элементами струйной аэрации
Коэффициент аэрации α (отношение объемного расхода воздуха Qв,
захватываемого падающей вглубь воды струей, к объемному расходу жидкости через
формирующую струю насадок Qж) определяется формулой:
 * R0
  1.56  106 9( 0


l
) 0.75  ( c ) 0.75
gR0
R0
2
0
,
(75)
где lс – высота свободного падения струи;
R0 – гидравлический радиус насадки;
V0 – скорость течения жидкости из насадки;
Υ – кинематическая вязкость жидкости;
G – ускорение свободного падения.
Значение α достигает 9…11 при перепаде давления на аэрирующей насадке (сопле)
(в диапазоне) 0,4…0,52 МПа.
Глубина проникновения воздушного факела lф:
lф
R0
 15.5
 02
.
(76)
g0 R
Максимальный диаметр факела пузырьков Дф– примерно 0,4 lф.
Требуемое число последовательно включенных флотоячеек m зависит от
концентрации Нпр в воде, поступающей на очистку Ст, назначаемой конечной
концентрацией Нпр в воде из флотатора Сm, времени пребывания очищаемой воды во
флотоячейке tm и константы скорости флотации k:
m
lg(Gr / Cm)
lg(1  k * t m )
.
(77)
Степень извлечения Нпр εm в m-й флотоячейке определяется соотношением:
 m  1
31
1
(1  kt m )
.
(78)
Значение константы скорости флотации зависит от режимных параметров
процесса:
k  0.78
 в0,38   ж0,68  l ф0,34  S 0.57
B1.34   0.57
,
(79)
где ωв – скорость поступления воздуха во флотосистему;
ωж – скорость воды, проходящей через флотоячейку;
lф – глубина проникновения вглубь очищаемой воды воздушного факела;
В – характерный размер в поперечном сечении флотокамеры (диаметр, ширина), приходящийся
на одну аэрируемую струю;
S – солесодержание воды;
ρ – плотность воды.
Скорость поступления воздуха:
ωв = Qв/F,
(80)
ωж = Qж/F.
(81)
где Qв – расход воздуха, поступающего во флотоячейку;
F – площадь поперечного сечения флотоячейки.
Аналогично
Рекомендуется ωж = 0,02 м/с.
Давление в напорном коллекторе рс = 0,3…0,5 МПа.
Исходные данные для расчета многоступенчатого флотатора со струйной аэрацией:
– расход сточных вод Qг, м3/ч;
– концентрация Нпр в НСВ Сг, мг/м3;
– концентрация Нпр в очищенной воде Сm, мг/м3;
– время пребывания очищаемой воды во флотокамере – рекомендуется принимать
ti = 90…100 с;
– константа скорости флотации – принимается к = 0,21…0,23 мин-1.
Ход расчета
Определим требуемое количество последовательно включенных флотокамер.
1.
Примем кратность рециркуляции воды n = 1,5 и определим подачу насоса:
Qр = Qг*n.
2.
Определим расход аэрирующей воды через флотокамеру:
Qp1 = 2Qp/m(n + 2).
3.
Определим расход воды через последнюю флотокамеру:
Qpm = Qp1(n + 1).
4.
Найдем среднее значение:
ΔQpi = (Qpm – Qp1)/(m – 2).
5.
Определим рециркуляционные расходы воды через другие флотокамеры:
Qp2 = Qp1+ ΔQpi;
Qp3 = Qp2 + ΔQpi;
Qp(m-1) = Qp(m-2) + ΔQpi.
6.
Определим скорость истечения струй воды из насадок аэрационного
коллектора:
ν0 = μ√2g Pc,
где μ – коэффициент расхода отверстия сопла. При Re >100 000 для круглых отверстий μ = 0,61. При
Re < 100 000 μ=0,62…0,63.
7.
Определим площади сечения сопловых насадок в аэрационном коллекторе и
диаметры насадок:
Fi = Qpi/ ν0;
di = √4 Fi/π,
где I = 1,2…m.
32
8.
Определим значения Re и Fr для истекающих струй:
Rei = ν0(di/2)/υ;
Fri 
 02
d
g* i
2
;
,
где υ = 1,006*10-6 м2/с – коэффициент кинематической вязкости воды.
9.
Определим длину водовоздушных факелов:
l фi 
di
15.53 Fri
2
.
10.
Определим объем флотокамер, исходя из времени пребывания воды во
флотокамере ti:
Viф = (Qг + Qpi) ti.
11.
Определим поперечное сечение флотокамеры:
Si = Viф/liф.
12.
Определим количество воздуха, поступающего с аэрирующей струей:
QВi = Qpi α,
где α = 9…11 – коэффициент аэрации.
13.
На основании полученных результатов приступаем к комплектованию
схемы флотатора.
8. Технологический расчет параметров установок
биологической очистки сточных вод
Цель расчета – определить объем аэротенка, количество кислорода, расходуемого
на аэрацию, количество прироста ила и т.д.
Биологическая очистка корабельных сточных вод является одним из наиболее
широко используемых методов обработки. В процессе биологической очистки агентом,
воздействующим на загрязнения в стоках, появляются различные аэробные
микроорганизмы.
Судовые сточные воды имеют следующие характеристики:
– количество образующейся воды – 20…80 л/(чел.*сут.);
– содержание взвешенных веществ (ВВ) – 350…4000 мг/л;
– биохимическая потребность в кислороде БПК5 = 300…3000 мг/л.
1. Продолжительность аэрации смеси сточной воды и циркулирующего ила в
аэротенке:
ta 
2 .5
La
 lg
0,5
Lt
a аэр
,
(82)
где ta – время аэрации, ч;
ааэр – доза активного ила в аэротенке для бытовых сточных вод, ааэр = 1,5 г/л;
Lа – БПКп поступающей в аэротенке сточной воды, мг/л.
Lt – БПКп очищенной воды, принимается Lt = 40 мг/л.
2. Определим долю ила, циркулирующего из отстойной емкости в аэротенк в
зависимости от расчетного притока сточной воды:
а = ааээ/арег аэр
(83)
где аper – доза активного ила в отстойной емкости, аper = 4 г/л.
3. При аэрации и отстаивании сточных вод очистка протекает в два этапа: на
первом этапе активный ил извлекает из сточных вод коллоидные и взвешенные
33
биологически активные загрязнения; на втором этапе идет окисление извлеченных
загрязнений, длительность которого определяется по формуле:
t0 
L a  Lt
a рег (1  S n )  0
,
(84)
где t0 – продолжительность окисления снятых загрязнений, ч;
Sn – зольность активного ила в долях единицы. Для бытовых сточных вод Sn = 0,3;
ρ0 – средняя скорость окисления мгБПКП/(г*ч) (по беззольному веществу ила).
Для судовых установок обработки бытовых сточных вод ρ0 = 34…41.
4. Продолжительность регенерации циркулирующего ила определяется формулой:
tр = t0 – tа.
(85)
5. Максимальный часовой приток на установку
qв = 3qn/24,
(86)
где q – суточное количество сточных вод на одного человека, л/(чел.*сут.);
n – численность экипажа.
Для судовых сточных вод характерен большой коэффициент неравномерности
поступления, его величина лежит в пределах 2,5…3.
6. Определяем объем аэротенка, м3:
Va = ta(1 + a)qB
(87)
и объем отстойника – регенератора, м3:
Vp = tp*aqB.
(88)
Тогда общий объем аэротенка с отстойником-регенератором будет равен:
Vар = Va + Vp.
(89)
7. Продолжительность процесса очистки воды определяется по формуле:
t = ta(1 + a) + tp*a.
(90)
Полученное значение t обязательно должно быть проверено по соотношениям:
t
L a  Lt
a рег (1  S n )  0
,
(91)
где аср – доза активного ила, г/л, для циркуляционных аэротенков бытовых вод
aср 
а аэр  Va  а рег  V p
.
(92)
V
Значения, полученные по формулам (90) и (91), должны совпадать.
8. Количество воздуха, необходимое для аэрации сточных вод, определяется по
формуле:
GB 
G k ( La  Lt )
,
k1  k 2  n1  n2 (C p  C k )
(93)
где Gв – удельный расход воздуха на 1 м3 очищенных сточных вод, м3;
Gк – удельный расход кислорода, мгО2/мгБПКП, Gк = 0,9…1,1 мг/мг;
к1 – коэффициент, учитывающий тип аэратора, принимается по табл. 16, в зависимости от
отношения площади аэрируемой зоны f к площади аэротенка F;
к2 – коэффициент, зависящий от глубины погружения аэратора (см. табл. 17);
n2 – коэффициент, учитывающий температуру сточных вод, n2 = 1 + 0,02(tср – 20), здесь tср –
средняя температура сточной воды, º С;
n2 – коэффициент, учитывающий отношение скорости переноса кислорода в иловой смеси к
скорости переноса его в чистой воде. Для бытовых сточных вод в отсутствии ПАВ n2 = 0,85, при
наличии ПАВ n2 принимается по табл. 16;
34
Ск – средняя концентрация кислорода в аэротенке, мг/л, Ск = 2 мг/л;Ср – растворимость
кислорода воздуха в воде:
h
С Т (10,3  )
2 .
Ср
10,3
Здесь Ст – растворимость кислорода воздуха в воде в зависимости от температуры:
t, º С
Ст, мг/л
10
11,27
12
10,75
14
10,26
16
9,89
18
9,4
20
9,02
22
8,67
24
8,33
26
8,02
28
7,72
30
7,44
9. Поверхность аэрируемой зоны f выбирается по площади, занимаемой
аэраторами; для мелкопузырчатых аэраторов просветы между ними до 0,3 м включаются в
поверхность аэрируемой зоны.
10. По найденным GB и t находим интенсивность аэрации j, м3/(м2*ч) по формуле:
j = GB*H/t,
(94)
где Н – рабочая глубина аэротенка, м.
Если вычисленная интенсивность аэрации более максимальной Jmax для принятого
значения К1, то необходимо увеличить площадь аэрируемой зоны f, если менее
минимальной Jmin для принятого значения К2, то необходимо увеличить расход воздуха.
Прирост активного ила в аэротенках при очистке бытовых сточных вод
определяется по формуле:
Пр = 0,8 В + 0,3 Lн,
(95)
где Пр – прирост активного ила, мг/л;
В – концентрация взвешенных веществ в поступающих на установку водах, мг/л.
11. Для возврата активного ила на аэрацию из отстойного танка обычно используют
эрлифты, для которых расход воздуха равен:
G уд 
hГ
,
23  Э lghГ (к п  1)  10 / 10
(96)
где G – расход воздуха для передачи активного ила, м3;
hг – геометрическая высота подъема активного ила, м;
ηэ = 0,6 – КПД эрлифта;
Кп – коэффициент погружения форсунки эрметра, Кп = Нп/ hг, здесь Нп – глубина погружения
форсунки от уровня налива, м.
Таблица 16
f/F, м2/м2
0,05
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,75
1
Зависимость К1, Jmax и n2 от отношения f/F
Jmax, м3/м4*4
5
10
20
30
40
50
75
100
К1
1,34
1,47
1,68
1,89
1,94
2
2,13
2,3
n2
0,59
0,59
0,64
0,66
0,72
0,77
0,88
0,99
12. При применении установок для очистки сточных вод должна учитываться
возможность их работы при качке и крене.
13. После биологической очистки сточных вод следует процесс обеззараживания
их. При этом учитывается поступление как сточных, так и хозяйственно-бытовых вод.
Доля обеззараживания стоков обычно используют активный хлор в виде
гипохлорита натрия или гипохлорита кальция.
35
Обеззараживающий агент вводится в емкость для сбора очищенной воды в таком
количестве, чтобы в сточных водах концентрация активного хлора составляла 3…5 мг/л
при времени контакта не менее 30 мин.
Таблица 17
Зависимость К2 и Jmin от глубины погружения аэратора h1
h1
К2
Jmin, м2/м2*4
0,5
0,4
48
0,6
0,4
42
0,7
0,6
38
0,8
0,8
32
0,9
0,9
28
1
1
24
Объем приемной емкости для очищенной воды определяется по формуле:
Vа. в.= Q τк,
(97)
где Q – суммарный максимальный расход сточных вод, м3/ч;
τк ≥ 0,5 ч – время контакта сточных вод с активным хлором.
14. На рис. 15 приведена типичная установка биохимической очистки воды и
изложен принцип ее действия.
Установка типа «Трайдент» (рис. 15) является типичной установкой
биохимической очистки воды. Ее работа осуществляется следующим образом. Сточные
воды от санитарно-технических устройств поступают в приемный отсек, где размещена
крупноячеистая сетка, на которой задерживаются и затем потоком стоков измельчаются
крупнофракционные загрязнения. Из приемного отсека стоки самотеком поступают в
аэрационное отделение, куда воздуходувками через воздухораспределитель подается
воздух на аэрацию сточных вод. В этом отсеке и происходит процесс биологической
очистки воды.
Очищенная вода с активным илом поступает в отстойное отделение, выполненное в
виде конического бункера, наклонные стенки которого способствуют сползанию активного ила
на его дно.
Для интенсификации процесса отстаивания ила и уменьшения влияния качки на
работу установки внутри бункера расположены наклонные пластины. Отстоенный ил
эрлифтом возвращается в отделение аэрации (для работы эрлифта используется воздух от
воздухоотводок).
Очищенные и отстоенные от активного ила сточные воды поступают в емкость для
сбора и обеззараживания сточных вод.
Обеззараживание сточных вод осуществляется гипохлориом кальция, которыми по
сигналу от датчика нижнего уровня подается в эту емкость при помощи дозирующего
устройства. При срабатывании датчика верхнего уровня включается откачивающий насос и
очищенные и обеззараженные стоки сбрасываются за борт. В емкость для сбора и
обеззараживания очищенных сточных вод также подаются и хозяйственно-бытовые
сточные воды, которые не проходят стадию биологической очистки, а лишь подвергаются
обеззараживанию. Вентиляция установки осуществляется при помощи вентиляционной
трубы, выводимой на открытую палубу. Для очистки и обеззараживания как сточных, так
и хозяйственно-бытовых вод применяется установка типа
«Био-Компакт»,
осуществляющая совместную биохимическую очистку всех сточных вод, образующихся на
судне, при норме 175 л на человека в день. Интенсификация процесса очистки здесь
происходит за счет более интенсивной аэрации обрабатываемых сточных вод.
Работа установки осуществляется следующим образом. Сточные и хозяйственнобытовые воды через приемную трубу поступают в приемный резервуар, где сразу
аэрируются воздухом от воздуходувки. За счет этого обеспечивается торможение
процессов брожения органических загрязнений, содержащихся в стоках. Затем сточные
воды переливаются во вторую аэрационную емкость, где продолжается биологический
процесс очистки. Очищенные стоки вместе с активным илом поступают в отстойную
емкость, в которой происходит разделение очищенной воды и активного ила – эрлифтом
он возвращается в приемный резервуар.
36
Плавающие на поверхности воды загрязнения этим же эрлифтом также возвращаются в
приемную емкость. Отстоянная и очищенная от активного ила вода поступает в сборную емкость,
куда подается обеззараживающее вещество. В одной из модификаций установки предусмотрено
обеззараживание сточных вод ультрафиолетовой лампой. Очищенные и обеззараженные сточные
воды насосом откачиваются за борт. Во всех установках, использующих биохимические методы
очистки, процесс обработки сточных вод осуществляется не менее 15–24 ч.
Рис. 15. Схема установки «Трайдент»:
1 – отсек для сбора поступающих стоков; II – аэрационный отсек; III – отсек осаждения активного ила; IV –
отсек сбора и обеззараживания очищенной воды; 1 – дозатор обеззараживающего реагента; 2 – пластины
отстойника; 3 – эрлифт; 4 – вентиляционный трубопровод; 5 – сетка для отделения крупнодисперсных
примесей; 6, 7 – осушительные клапаны; 8 – воздухораспределитель; 9 – трубопровод для осушки установки;
10 – воздуходувки для аэрации стоков и работы эрлифта; 11 – запорный клапан; 12 – откачивающий насос;
13, 14 – датчики нижнего и верхнего уровней
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Зубрилов С.П., Ищук Ю.Г., Косовский В.И. Охрана окружающей среды при эксплуатации
судов. Л.: Судостроение, 2012. С. 3–21.
2. Калыгин В.Г. Промышленная экология: учеб. пособие. М.: Академия, 2006. 432 с.
3. Маркевич В.А. Средства защиты моря от загрязнения при эксплуатации СЭУ.
Л.: Изд-во ЛКИ, 2012. С. 3–6.
4. Нунупаров С.М. Предотвращение загрязнения моря судами. М.: Транспорт, 2014. С. 5–87.
5. Промышленная экология: учеб. пособие / под ред. В.В. Денисова. М.: МарТ, 2007.
6. Родионов А.И., Клушин В.Н., Систер В.Г. Технологические процессы экологической
безопасности. Калуга: Изд-во Н. Бочкаревой, 2000. 800 с.
7. Стаценко В.Н. Совершенствование экологической безопасности судовых энергетических
установок. Владивосток: Изд-во ДВГТУ, 2006. С. 5–22.
8. Тимонин А.С. Инженерно-экологический справочник. Калуга: Изд-во Н.Ф. Бочкаревой,
2003. Т. 1. 913 с. Т. 2. 884 с. Т. 3. 1024 с.
37
Учебное издание
Авторы
Бурлакова Наталья Николаевна – к.т.н., доцент
Масютин Алексей Глебович – к.т.н., доцент
Кафедра судовой энергетики и автоматики Инженерной школы
Дальневосточный федеральный университет
ПРЕДОТВРАЩЕНИЕ
ЗАГРЯЗНЕНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
С СУДОВ
Для студентов направления подготовки
26.04.02 «Кораблестроение, океанотехника и системотехника
объектов морской инфраструктуры» (магистратура)
очной формы обучения
Учебно-методическое пособие
Редактор И.А. Гончарук
Компьютерная верстка И.А. Гончарук
Подписано в печать 27.05.2019
Формат 60х84/8
Усл. печ. л. 4,4
Тираж 25 экз.
Заказ
Издание находится в свободном доступе на сайте ДВФУ
URL: https://www.dvfu.ru/schools/engineering/science/scientific-and-educational-publications/manuals/
Издание подготовлено редакционно-издательским отделом Инженерной школы ДВФУ
[Кампус ДВФУ, корп. С, каб. С714]
Дальневосточный федеральный университет
690091, Владивосток, ул. Суханова, 8
Отпечатано в Дальневосточном федеральном университете
(типография Издательства ДВФУ
690091, г. Владивосток, ул. Пушкинская, 10)