Ликвидационный метод защиты окружающей среды на железнодорожном транспорте Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

78

Современные технологии - транспорту

УДК504:656.2

Е. И. Макарова, А. М. Сычева

ЛИКВИДАЦИОННЫЙ МЕТОД ЗАЩИТЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ НА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОМ ТРАНСПОРТЕ

Описывается метод ликвидации аварийных разливов нефтепродуктов твердеющими вяжущими системами. Приводится алгоритм выбора вяжущей системы и технологические характеристики, такие как жидко-твердое отношение, экозащитная ёмкость и время начала капиллярного подсоса нефтепродуктов с минеральной основы, зависящее от природы вяжущей смеси.

аварийные разливы нефтепродуктов, метод, мазут, вяжущие смеси, ликвидация загрязнения, защита окружающей среды.

Введение

Проблема загрязнения окружающей среды нефтепродуктами на сегодняшний день приобрела особую актуальность. Несмотря на значительное количество нормативных актов и постановлений Правительства РФ, эффективность ликвидации аварийных разливов нефтепродуктов остается на прежнем, далеко не высоком уровне. В связи с этим целесообразна разработка новых методов и подходов к ликвидационным мероприятиям, направленным на защиту окружающей среды. При этом приоритетной должна быть не только экономическая эффективность, но и экозащитность.

1 Разработка метода ликвидации аварийных разливов нефтепродуктов

Регулярно при аварийных разливах нефтепродуктов погибают тысячи птиц, животных и растений. Современные методы ликвидации не способны предотвратить эти последствия, поэтому необходим метод, который мог бы минимизировать контакт живых организмов с попавшими на почву углеводородами.

Результатом реализации предлагаемого метода является защита окружающей среды при ликвидации разливов нефтепродуктов с минеральной поверхности при авариях на железнодорожном транспорте. Метод включает следующие основные стадии: поиск научных основ, планирование эксперимента, построение математических моделей, определение технологических параметров и комплексную оценку разработанного технологического решения (рис. 1).

2011/3

Proceedings of Petersburg Transport University

Современные технологии - транспорту

79

1. Анализ известных методов ликвидации аварийных разливов нефтепродуктов

i

2. Поиск научных основ метода ликвидации аварийных разливов нефтепродуктов

i

2.1. Определение требуемых термодинамических и кинетических параметров систем

i

2.2. Определение требуемых размеров образующихся частиц

i

2.3. Определение требуемой природы связи образующихся продуктов

i

2.4. Определение требуемого размера пор, формирующихся при искусственном камнеобразовании

_____________________________________i_____________________________________

2.5. Оценка экозащитной ёмкости

i

3. Планирование эксперимента при ликвидации аварийных разливов нефтепродуктов.

Проведение экспериментальных испытаний

i

4. Математическое моделирование эксперимента ликвидации аварийных разливов неф-

тепродуктов

i

5. Определение рациональных соотношений компонентов вяжущих систем

i

5.1. Определение требуемого жидко-твердого отношения

i

5.2. Определение требуемого соотношения вяжущее/заполнитель

i

6. Ликвидация аварийных разливов нефтепродуктов

i

6.1. Оценка чистоты минеральной основы

i

7. Определение способов утилизации или использования отработанного защитного слоя

i

7.1. Определение физико-механических характеристик защитного слоя

i

8. Статистическая обработка данных

i

9. Опытно-промышленное опробование разработанного технологического решения

i

10. Разработка документации и рекомендаций по применению полученных характеристик и усовершенствованию на их основе технологических решений ликвидации аварийных разливов мазута

Рис. 1. Метод ликвидации аварийных разливов нефтепродуктов

ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС

2011/3

80

Современные технологии - транспорту

1.1 Анализ известных способов ликвидации аварийных разливов нефтепродуктов

Современные методы ликвидации аварийных разливов нефтепродуктов условно можно разделить на четыре группы: механические, физикохимические, биологические и комбинированные [1]—[5]. Анализ этих методов показывает, что наиболее применяемым на практике является механический метод, который лежит в основе первичных мероприятий ликвидации аварийных нефтеразливов; таким образом, ни один из перечисленных методов не исключает использование механического метода, следовательно, можно сделать вывод, что в настоящее время существует только два метода: механический и комбинированный.

Необходимо отметить, что современные методы ликвидации аварийных разливов нефтепродуктов имеют ряд существенных недостатков: например, при использовании микроорганизмов время ликвидации аварийных разливов может составлять до 3 лет, а при снятии и вывозе загрязненного грунта на полигоны возникает проблема вторичного загрязнения окружающей среды. Сжигание нефтепродуктов на месте разлива приводит к загрязнению атмосферы и образованию «горелой земли», которая также должна быть утилизирована.

1.2 Поиск научных основ метода ликвидации аварийных разливов нефтепродуктов

Ранее было показано [6], что для защиты окружающей среды при ликвидации аварийных разливов нефтепродуктов могут быть использованы самопроизвольные химические системы, образующие искусственный камень и при определенных условиях способные осуществлять капиллярный подсос нефтепродуктов, например мазута, с минеральной основы.

Основная научная идея заключается в том, что в соответствии с термодинамическими представлениями одной из энергетических характеристик любого процесса является изменение свободной энергии Гиббса

о

AG 298, которая характеризует ту часть полной энергии системы, которую можно превратить в полезную работу. Значит эта энергия может быть направлена на защиту окружающей среды, например, при ликвидации аварийных разливов нефтепродуктов на железнодорожном транспорте.

Изменение свободной энергии Гиббса определяют по формуле:

о о о

AG процесса 298 2nAG конечных продуктов 298 2nAG исходных продуктов 298.

О

При этом, если AG процесса 298 < 0, то процесс протекает самопроизволь-

о

но. Если AG процесса 298 > 0, то процесс самопроизвольно протекать не может.

Для решения основной задачи, состоящей в защите окружающей среды при ликвидации аварийных разливов нефтепродуктов, проводился поиск самопроизвольных процессов, в результате которых может образовы-

2011/3

Proceedings of Petersburg Transport University

Современные технологии - транспорту

81

ваться искусственный камень, в предположении, что в нем будет изолирован мазут. Примером таких процессов являются процессы твердения вяжущих систем разной природы.

Кроме того, в вяжущих системах в процессе твердения формируются поры, которые будут способствовать осуществлению капиллярного подсоса мазута с минеральной основы. Исследования показали, что размер таких пор должен составлять от 103 до 104 нм, при этом развивается капиллярное давления порядка 2900 Па.

1.3 Планирование эксперимента ликвидации аварийных разливов нефтепродуктов. Проведение экспериментальных испытаний

В соответствии с проведенными исследованиями был составлен алгоритм выбора вяжущей смеси (рис. 2).

Рис. 2. Алгоритм выбора вяжущей смеси для ликвидации аварийных разливов

нефтепродуктов

ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС

2011/3

82

Современные технологии - транспорту

Таким образом, для ликвидации аварийных разливов мазута были обнаружены вяжущие смеси, отвечающие заданным условиям: цементная, глинофосфатная и шлакощелочная.

Экозащитная ёмкость вяжущих смесей представляет собой максимальное количество нефтепродуктов (кг), поглощаемое одной тонной вяжущей смеси. Экспериментально установлено, что экозащитная ёмкость не зависит от природы вяжущей смеси и составляет 300 кг/т.

1.4 Математическое моделирование эксперимента ликвидации аварийных разливов нефтепродуктов

Построение математических моделей, позволяющих по значениям независимых факторов получить оценки значений зависимой переменной, проводилось с помощью стандартного математического аппарата регрессионного анализа.

Предварительный анализ показал, что исходные данные необходимо исследовать не в качестве единого неделимого массива, а в разбивке по группам и подгруппам. В качестве группирующего признака выступают: для групп - тип вяжущей смеси; для подгрупп - соотношение жид-кое/твердое (Ж/Т).

Группировка позволяет строить математические модели, которые учитывают различие в смесях, разное соотношение количества, не включают в себя непосредственно в качестве факторов тип вяжущей смеси и соотношение количества в кодировке.

Для каждой вяжущей смеси регрессионная модель будет включать только один независимый фактор - Ж/Т. При построении моделей было выбрано соотношение вяжущая смесь - мазут, равное 1 : 3.

Шлакощелочная вяжущая смесь. Искомая модель имеет вид:

Y = 82,733 + 20,121 Xi ,

где Y - качество очистки, Х1 - фактор Ж/Т. Ошибка аппроксимации составляет 2,02 %.

Цементная вяжущая смесь. Искомая модель имеет вид:

Y = 78,233 + 196,409X1 - 212,879Х21,

где Y - качество очистки, Х1 - фактор Ж/Т. Ошибка аппроксимации составляет 4,84 %.

Глинофосфатная вяжущая смесь. Искомая модель имеет вид:

Y = 79,3 + 451,075X1 - 458,525Х21,

где Y - качество очистки, Х1 - фактор Ж/Т. Ошибка аппроксимации составляет 4,55 %.

Значимый коэффициент при факторе Х21 свидетельствует о том, что значение этого фактора должно быть в строго определенном диапазоне,

2011/3

Proceedings of Petersburg Transport University

Современные технологии - транспорту

83

при котором модели являются адекватными и хорошо соответствуют экспериментальным данным.

1.5 Определение рациональных соотношений компонентов вяжущих смесей

Одним из основных условий ликвидации аварийных разливов нефтепродуктов вяжущими смесями является размер формирующихся при твердении пор. Размер пор обеспечивается рациональным соотношением компонентов вяжущей смеси, то есть количествами вводимой жидкости затво-рения и заполнителя. В результате исследований установлено, что оптимальными для ликвидации аварийных разливов мазута являются следующие Ж/Т-соотношения компонентов вяжущих смесей: шлакощелочной - от 0,7 до 0,9; глинофосфатной - от 0,2 до 0,8; цементной - от 0,3 до 0,7.

1.6 Ликвидация аварийных разливов нефтепродуктов

Основные технологические стадии процесса ликвидации включают покрытие разлива мазута вяжущей смесью, капиллярный подсос с минеральной основы, отвердевание вяжущей смеси с мазутом, образование затвердевшего защитного слоя и дальнейшее использование этого слоя.

Масса вяжущей смеси для поглощения нефтеразлива определяется по формуле:

т

вяжущей смеси

m

мазута

С

5

где тмазута - масса разлившегося мазута, кг; С - экозащитная ёмкость вяжущей смеси, кг/т.

Расход вяжущей смеси для ликвидации аварийного разлива мазута определяется по формуле, кг:

R

вяжущей смеси

hSp,

где h - высота наносимого слоя вяжущей смеси, м; S - площадь нефтеразлива, м ; p - плотность вяжущей смеси, кг/м .

Разливы нефтепродуктов классифицируются как чрезвычайные ситуации и ликвидируются в соответствии с законодательством Российской Федерации (Постановление Правительства РФ от 21 августа 2000 г. № 613 «О неотложных мерах по предупреждению и ликвидации аварийных разливов нефти и нефтепродуктов»). При разливе на почве время локализации разлива нефтепродуктов не должно превышать 6 часов. Экспериментально установлено, что транспорт мазута по капиллярам вяжущей смеси начинается через 3 минуты после нанесения шлакощелочной вяжущей смеси на

ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС

2011/3

84

Современные технологии - транспорту

поверхность мазута, через 30 минут после нанесения глинофосфатной и через 120 минут - цементной.

1.7 Определение способов утилизации или использования отработанного защитного слоя

Важной проблемой при ликвидации аварийных разливов нефтепродуктов является утилизация продуктов ликвидации; в данном методе этим продуктом является защитный слой.

Защитный слой с поглощенным мазутом может быть использован по трем направлениям.

1. Защитный слой снимается любым механическим способом, измельчается и используется в качестве заполнителя при получении шлакощелочных и глинофосфатных материалов. Исследования показали, что полученные глинофосфатные материалы имеют прочность до 12 МПа, шлакощелочные - до 14 МПа, водные вытяжки из полученных материалов нефтепродуктов не содержат.

2. Защитный слой оставляется на месте разлива и служит, например, для укрепления поверхности. Несущая способность защитных слоев составляет: цементных 0,5-0,7 МПа, шлакощелочных 7-8 МПа, глинофосфатных 10-12 МПа.

3. Защитный слой подвергается термической обработке с образованием дегидратированных продуктов, способных к дальнейшему полезному использованию.

Результаты исследований по термической обработке защитного слоя при температуре до 900°С представлены в таблице 1. Известно, что до температуры 900°С происходит дегидратация с образованием минеральной смеси, состоящей из чистых минеральных продуктов в виде SiO2, силикатов и алюминатов кальция. Эти продукты могут быть в дальнейшем использованы как минеральный заполнитель.

Глинофосфатная система примерно при 800°С теряет основную часть мазута, и масса стабилизируется, у цементной и шлакощелочной систем потеря массы продолжается за счет процессов дегидратации и декарбонизации.

ТАБЛИЦА 1. Результаты прокаливания образцов защитного слоя

Вяжущая смесь Температура, оС

700 800 900

Потери массы, %

Глинофосфатная 3,75 1,3 1,35

Шлакощелочная 1,35 2,63 3,44

Цементная 2,9 1,33 5,68

2011/3

Proceedings of Petersburg Transport University

Современные технологии - транспорту

85

1.8 Области применения технологического решения, разработанного на основе предлагаемого ликвидационного метода

Разработанное технологическое решение может быть использовано на объектах транспорта (железнодорожного, авиационного, автомобильного, морского, речного); в нефтегазовой отрасли (при добыче, переработке, транспортировке и хранении нефтепродуктов); в агропромышленном комплексе при использовании и хранении нефтепродуктов; в теплоэнергетике, в оборонном комплексе, а также в МЧС.

2 Метод комплексной оценки технологического решения ликвидации аварийных разливов мазута

Метод комплексной оценки технологического решения ликвидации аварийных разливов мазута с использованием самопроизвольно твердеющих вяжущих смесей представлен на рисунке 3.

1. Анализ существующих методов оценки технологических решений защиты _________окружающей среды при ликвидации аварийных разливов мазута

2. Оценка предотвращенного экологического ущерба при внедрении разработанного _________________________технологического решения_________________________

Т

2.1. Оценка величины предотвращенного ущерба от загрязнения водной среды

Ж

2.2. Оценка величины предотвращенного ущерба от выбросов загрязняющих веществ ____________________________в атмосферный воздух__________________________

2.3. Оценка величины предотвращенного ущерба от ухудшения и разрушения почв и

земель

Т

3. Оценка качества технологического решения

Т

3.1. Экологический аспект

Т

3.1.1. Чистота минеральной основы после ликвидации

3.1.2. Оценка возможности использования техногенного сырья при ликвидации ава___________________________рийных разливов мазута___________________________

3.1.3. Оценка возможности получения полезного продукта после ликвидации

ж

3.2. Технологический аспект

Т

3.2.1. Оценка необходимости использования дополнительного оборудования

ж

3.2.2. Оценка начала локализации аварийного разлива нефтепродуктов

ж

3.3. Эксплуатационный аспект

3.3.1. Оценка времени полной ликвидации аварийного разлива нефтепродуктов

ж

3.3.2. Оценка температурных условий применения технологического решения

ж

4. Оценка экономической эффективности внедрения разработанного технологического решения ликвидации аварийных разливов нефтепродуктов

Рис. 3. Метод комплексной оценки технологического решения защиты окружающей среды при ликвидации аварийных разливов мазута

ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС

2011/3

86

Современные технологии - транспорту

2.1 Оценка предотвращенного экологического ущерба

при внедрении разработанного технологического решения

Общая величина предотвращенного экологического ущерба от загрязнения окружающей природной среды определяется по формуле:

У = (ЕА, + Щ + SB, + ЕП,) • K,,

где У - общая величина предотвращенного экологического ущерба от загрязнения окружающей природной среды на территории конкретного субъекта РФ, тыс. руб.;

А,, B,, Б, , П, - оценка в денежной форме величины предотвращенных в результате природоохранной деятельности ущербов, определенных с учетом суммарных объемов снижения негативных нагрузок, соответственно атмосферному воздуху, водным ресурсам, биоресурсам, почвам и земельным ресурсам в ,-м регионе, тыс.руб.;

K, - корректировочный коэффициент, учитывающий экологическое состояние территории, потерь экологического качества окружающей среды в ,-м регионе.

В результате расчета определено, что при ликвидации нефтеразлива с 1 м предотвращенный экологический ущерб составляет 16,952 тыс. рублей.

2.2 Оценка экономической эффективности

Для оценки экономической эффективности разработанного технологического решения проводилась сравнительная оценка стоимости применяемого в настоящее время на транспорте сорбента праймсорб и стоимости вяжущих смесей. Результаты расчетов представлены в таблице 2.

ТАБЛИЦА 2. Экономическая эффективность использования разработанного технологического решения

Вяжущие системы Сорбент праймсорб ЦР ПБ ФР ШЩР

Стоимость 1 т, руб. 22 816 1 165 2 015 5 500 2 400

Стоимость ликвидации нефтеразлива с 1 м2, руб. (при условии нанесения слоя 0,05 м) 1255 89 61 569 206

Затраты на ликвидацию 1 т мазута, руб. 34 225 3 495 6 045 16 500 7 200

Экономическая эффективность при ликвидации нефтеразлива с 1 м2, руб. 0 1166 1194 686 1049

Экономическая эффективность при ликвидации 1 т мазута, руб. 0 30 730 28 180 17 725 27 025

2011/3

Proceedings of Petersburg Transport University

Современные технологии - транспорту

87

2.3 Оценка качества технологического решения

Анализ качества технологического решения, проведенный в соответствии с методикой [7], показал, что индекс PQ технологического решения ликвидации аварийных разливов нефтепродуктов с использованием вяжущих смесей превышает индексы PQ традиционных технологических решений, выбранных для сравнения, и составляет от 0,74 до 0,89, что свидетельствует о перспективности использования технологического решения ликвидации аварийных разливов нефтепродуктов с использованием самопроизвольно твердеющих вяжущих систем.

Заключение

Предложен метод ликвидации аварийных разливов мазута, позволяющий использовать многотоннажные системы и получать полезный экологически чистый продукт в виде искусственного камня. В качестве основных критериев выбора вяжущей смеси для ликвидации аварийных разливов нефтепродуктов предложено считать: изменение энергии Гиббса, отрицательное значение которой позволяет осуществлять ликвидацию самопроизвольно; систему пор определенного размера, обеспечивающих капиллярный подсос мазута с минеральной основы, и природу образующихся веществ.

Библиографический список

1. Теоретический анализ методов ликвидации аварийных разливов нефти и нефтепродуктов / Е. И. Макарова, М. Абу-Хасан, С. В. Сулейманова // Города России: проблемы строительства, инженерного обеспечения, благоустройства и экологии : сб. статей Международной научно-практической конференции. - Пенза : РИО ПГСХА, 2008. - С. 126-129. - ISBN 5-94338-182-1.

2. Техника и технологии локализации и ликвидации аварийных разливов нефти и нефтепродуктов : справочник // И. А. Мерициди, В. Н. Ивановский, А. Н. Прохоров. -СПб. : Изд-во НПО «Профессионал», 2008. - 824 с. - ^N 978-5-91259-016-0.

3. Аварийные разливы нефти в море и борьба с ними / А. И. Альхименко. - СПб. : ОМ-Пресс, 2005. - 23 с. - ISBN 978-5901739-52-5.

4. Эффективные сорбенты для ликвидации нефтяных разливов / В. Ж. Арене,

О. М. Гридин // Экология и промышленность России. - 1997. - № 3. - С. 8-11.

5. Современные методы и средства борьбы с разливами нефти : научно-практич. пособие / А. И. Вылкован, Л. С. Венцюлис, В. М. Зайцев, В. Д. Филатов // СПб. : Центр-Техинформ, 2000. - 198 с. - ISBN 589551-010-8.

6. О природе процесса ликвидации нефтеразливов самотвердеющими вяжущими смесями / Л. Б. Сватовская, Е. И. Макарова // Известия Петербургского государственного университета путей сообщения. - 2010. - Вып. 2 (23). - С. 239-249.

7. Новые экозащитные технологии и их оценка. Индекс PQ / Л. Б. Сватовская, Т. С. Титова, Е. В. Русанова. - СПб. : ПГУПС, 2005. - 75 с. - ISBN 5-7641-0143-3.

ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС

2011/3