Проектирование специальных систем судов комплексной переработки отходов
На правах рукописи
Мизгирев Дмитрий Сергеевич
Проектирование СПЕЦИАЛЬНЫХ СИСТЕМ
СУДОВ КОМПЛЕКСНОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ОТХОДОВ
Специальность 05.08.03 «Проектирование и конструкция судов»
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Нижний Новгород – 2009
Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Волжская государственная академия водного транспорта».
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор,
заслуженный деятель науки РФ
Курников Александр Серафимович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор,
заслуженный работник Высшей школы РФ
Этин Владимир Львович
кандидат технических наук, доцент
Зеленов Сергей Николаевич
Ведущая организация: ГОУ ВПО «Санкт-петербургский государственный морской технический университет» (г. Санкт-Петербург).
Защита состоится 2009 года в часов на заседании диссертационного совета Д 223.001.02 при ФГОУ ВПО «ВГАВТ» по адресу: 603950, г. Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5а, аудитория.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «ВГАВТ».
Автореферат разослан 2009 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
кандидат технических наук, доцент Кеслер А.А.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Интенсивное развитие судоходства на внутренних водных путях России привело к строительству качественно нового флота: с мощными энергетическими установками, высокими грузоподъемностью, пассажировместимостью и скоростью. В процессе эксплуатации данных судов при проведении производственной и общесудовой деятельности на борту непрерывно образуется ряд твердых, жидких и газообразных отходов, подлежащих нейтрализации и удалению.
В настоящее время на флоте преимущественно применяются два способа решения проблемы эксплуатационных отходов. Первый – раздельное накопление всех их видов для сдачи на берег. Недостатком его является необходимость наличия на борту емкостей, что требует дополнительных помещений и уменьшает провозную способность, а также развитой инфраструктуры комплексного обслуживания флота (КОФ). Как вариант можно выделить раздельное накопление всех видов отходов для сдачи на специальные суда комплексной переработки отходов (СКПО). Второй – переработка отходов на борту судна при помощи специальных систем для очистки сточных (СВ) и нефтесодержащих (НВ) вод, а также инсинераторов. К недостаткам способа относятся сложность и дороговизна оборудования, его обслуживания, необходимость дополнительных затрат энергии. Для ряда речных судов установка такого оборудования на борту невозможна.
Также необходимо учитывать то обстоятельство, что в 95% всех эксплуатационных судовых отходов имеется “скрытая” энергия в виде теплоты при сгорании, которая до сих пор не получила широкого применения.
Указанные недостатки существующей системы КОФ и систем переработки отходов явились поводом для поиска новых подходов к комплексному решению проблемы эксплуатационных судовых отходов.
Проведенный анализ работ различных российских и зарубежных ученых, к которым относятся Баранов А.Л., Богатых С.А., Барац В.А. Васильев Л.А., Волков Л.С., Карастелев Б.Я., Кульский Л.А., Курников А.С, Лукиных Н.Л., Решняк В.И., Стаценко В.Н., Этин В.Л., Яковлев С.В., Баадер В., Бойлс Д., Бренндерфер М., Доне Е., Заборски О., Соуфер С., Рандольф Р. и др., показывает, что разработки и исследования, проводимые ими, ориентированы не на решение общей проблемы проектирования систем для утилизации отходов, а на частные вопросы. Дальнейшее решение этой проблемы сдерживается отсутствием комплексных исследований систем переработки различных видов отходов с учетом их взаимодействия в целях повышения эффективности, экономичности и экологичности.
Комплексный метод при проектировании судовых систем позволяет производить эффективную переработку и утилизацию основных видов отходов используя универсальные технологии обработки различных сред с одновременным уменьшением антропогенной нагрузки на окружающую среду. Таким образом, проблема проектирования судовых систем для переработки и утилизации судовых отходов актуальна и требует скорейшего разрешения.
Целью диссертационной работы является создание научно-обоснованной методики проектирования взаимодействующих систем для СКПО, обеспечивающих переработку и утилизацию эксплуатационных судовых отходов с одновременным получением энергии за счет их рекуперации.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. На основе анализа современных средств и технологий предложить способы совершенствования систем переработки судовых отходов.
2. Провести статистическое исследование по основным видам судовых отходов на отдельном судоходном участке.
3. Определить необходимую производительность систем переработки отходов.
4. Разработать математическое описание процессов переработки СВ, НВ, судового мусора с учетом специфики работы судовых систем.
5. Оценить количество теплоты при комплексной переработке отходов на судне. Составить энергетический баланс СКПО.
6. Провести экспериментальные исследования по определению неизвестных величин – влажности и содержания взвешенных веществ (ВВ) в подготовленном к анаэробному сбраживанию осадке СВ.
7. Произвести математическое моделирование систем переработки отходов с учетом их взаимодействия.
8. Разработать новую принципиальную схему систем СКПО.
9. Дать социально-экологическую и экономическую оценки предлагаемым мероприятиям.
Объектом исследования является комплекс систем СКПО для переработки, утилизации и рекуперации основных видов судовых отходов, содержащий взаимодействующие перерабатывающие и энергетические системы.
К предмету исследования относятся процессы, протекающие при переработке, утилизации, рекуперации и использовании теплоты сгорания основных видов эксплуатационных судовых отходов в системах СКПО.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Впервые научно обоснована концепция совершенствования технологий переработки эксплуатационных судовых отходов путем рекуперации скрытой в них тепловой энергии, а также использования взаимодействия систем комплекса, что упрощает процессы и повышает качество очистки загрязненных сред.
2. Исследованы и определены параметры подготовленных к сжиганию судовых отходов и продуктов их переработки: их количества по видам, вероятностные значения теплоты сгорания. Проведены экспериментальные исследования по оценке величин влажности и содержания ВВ в подготовленном к анаэробному сбраживанию осадке СВ.
3. Впервые разработаны и предложены математические модели систем для переработки и рекуперации основных видов судовых отходов на СКПО с учетом их взаимодействия. Доказана адекватность предложенной математической модели взаимодействующих систем рекуперации судовых отходов.
4. На основе математических моделей разработана новая принципиальная схема взаимодействующих систем переработки судовых отходов для СКПО, объединенных в единый комплекс. Создан алгоритм проектирования комплекса взаимодействующих систем, позволяющий принимать обоснованные технологические и конструкторские решения. Новизна подтверждена положительным решением о выдаче патента РФ на изобретение № 2007119837/15 и 2 патентами РФ на полезную модель № 2009104258/22 и № 2009111780/22.
Практическая ценность работы заключается в создании нового комплекса взаимодействующих систем СКПО для переработки, утилизации и рекуперации основных видов эксплуатационных судовых отходов, а также в разработке методики проектирования данного комплекса систем.
Использование результатов работы позволяет:
1. Производить переработку, утилизацию и рекуперацию всех основных видов эксплуатационных судовых отходов (СВ, НВ, судового мусора, пищевых отходов) в комплексе систем СКПО.
2. Разработать новую, защищенную патентом, принципиальную схему комплекса взаимодействующих систем для СКПО, а также отдельных систем переработки основных видов отходов: очистки СВ (СОСВ), очистки НВ (СОНВ), системы переработки судового мусора, станции производства биогаза, системы обезвреживания пищевых отходов, системы термической утилизации отходов в котлоагрегате.
3. Значительно снизить затраты нефтяного топлива за счет использования на СКПО в качестве его заменителя продуктов переработки отходов.
4. Снизить за счет применения комплексного подхода и взаимодействия систем СКПО энергозатраты при переработке и утилизации основных видов эксплуатационных судовых отходов.
5. Разработать методику проектирования объединенного комплекса взаимодействующих систем экологического назначения для СКПО, позволяющую принимать обоснованные технологические и конструкторские решения.
6. Рассчитать эксплуатационные параметры работы указанного комплекса систем СКПО.
Реализация результатов работы выражается в следующем:
1. Технические условия ТУ 4859-001-03149576-2007 на СОСВ со станциями типа “СОСВ-5”, “СОСВ-10”, “СОСВ-20”. Высокая надежность предлагаемых систем одобрена Регистром, Роспотребнадзором и Ростехнадзором.
2. Положительное решение о выдаче патента РФ на изобретение “Мобильная станция комплексной переработки эксплуатационных судовых отходов с целью их последующей рекуперации № 2007119837/15.
3. Патент РФ на полезную модель “Комплекс систем для мобильной станции переработки эксплуатационных судовых отходов с целью их последующей рекуперации” № 2009104258/22.
4. Патент РФ на полезную модель “Плавучий туристический комплекс”, содержащий буксировочное судно с комплексом систем для переработки и рекуперации отходов № 2009111780/22.
5. Методика проектирования предложена для переоборудования серийного теплохода типа “ОС” проекта 354К в СКПО, предназначенное для обслуживания пассажирского флота на судоходном участке с центром в г. Н.Новгород.
Достоверность полученных результатов обеспечивается применением современных методов теоретических и экспериментальных исследований на основе известных зависимостей гидродинамических, физических и химических процессов. Экспериментальные исследования проводились с использованием стандартных методик и приборов для определения контролируемых показателей. Обработка результатов осуществлялась методом корреляционно-регрессионного анализа.
Апробация работы. Результаты исследований докладывались и обсуждались на следующих мероприятиях: международный промышленно-экономический форум “Россия единая” (Н. Новгород, 2006); Всероссийская конференция студентов и аспирантов по приоритетному направлению “Рациональное природопользование” (Ярославль, 2006); Всероссийская молодежная научно-техническая конференция “Новые технологии водного транспорта” (Н. Новгород, 2007); конкурс “Молодые ученые транспортной отрасли 2007” (Ростов-на-Дону, 2007); научно-методическая конференция профессорско-преподавательского состава ВГАВТ “Транспорт-XXI век” (Н. Новгород, 2007); научно-практический форум “Великие реки” (Н. Новгород, 2007 и 2008); VIII Всероссийская выставка НТТМ-2007 (Москва, 2007); областной конкурс молодежных инновационных команд РОСТ “Россия. Ответственность. Стратегия. Технологии.” (Н. Новгород, 2008); ярмарка “Инновации нижегородцев – экономике региона” (Н. Новгород, 2008); конференция аспирантов и молодых ученых ВГАВТ (Н. Новгород, 2008); XIII Нижегородская сессия молодых ученых (панс. “Татинец”, 2008); VI Приволжская ярмарка “Российским инновациям – российский капитал” (Н. Новгород, 2008); конкурс “Ползуновские гранты” (Барнаул, 2008); конкурс на право проведения НИОКР “У.М.Н.И.К.-НН” (Н. Новгород, 2009), IX Московский международный салон инноваций и инвестиций (Москва, 2009). Автор удостоен различных наград, в том числе государственных. В их числе: “Премия для поддержки талантливой молодежи первой степени” (грант Президента РФ); финансирование проекта в рамках федеральной программы “Участник молодежного научно-инновационного конкурса” (У.М.Н.И.К.-2007 и У.М.Н.И.К.-2008); золотая медаль выставки НТТМ-2007 “За успехи в научно-техническом творчестве”; стипендия имени академика Г.А. Разуваева (диплом лауреата № 1554); специальная стипендия Президента Российской Федерации.
Публикации. Список публикаций по материалам диссертации состоит из 17 работ, в том числе 1 работа в реферируемом ВАК журнале, положительное решение о выдаче патента России, 2 патента на полезную модель.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографического списка использованной литературы и приложений. Основное содержание работы изложено на 139 страницах машинописного текста и включает 39 рисунков и 43 таблицы. Список литературы состоит из 151 наименования.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цели и задачи исследований, показаны научная новизна и практическая ценность.
В первой главе проведен обзор современного состояния проблемы проектирования систем для ликвидации эксплуатационных судовых отходов. Рассмотрены существующая система КОФ, особенности систем для переработки основных видов эксплуатационных судовых отходов.
В соответствии с принятой в настоящее время классификацией, закрепленной международными нормативными документами, можно выделить три основные группы судовых отходов:
1. Жидкие отходы, в состав которых входят СВ, НВ, а также загрязненные воды, требующие специальной очистки.
2. Твердые отходы (мусор).
3. Газообразные отходы (выпускные газы двигателей внутреннего сгорания, газотурбинных установок, котлоагрегатов и печей-инсинераторов).
Указано, что в настоящее время на речном флоте преимущественно применяются два способа решения проблемы эксплуатационных отходов. Первый – раздельное накопление всех их видов для сдачи на берег. Недостатком является необходимость наличия на борту емкостей, что требует дополнительных помещений и уменьшает провозную способность, а также развитой инфраструктуры КОФ. Как вариант можно выделить раздельное накопление всех видов отходов для сдачи на специальные суда – СКПО. Второй – переработка отходов на борту судна при помощи специальных систем для очистки СВ и НВ, а также инсинераторов. К недостаткам способа относятся сложность и дороговизна самого оборудования и его обслуживания, необходимость дополнительных затрат энергии. Для ряда речных судов установка указанного оборудования на борту невозможна.
Разработки и исследования, выполненные по обозначенной тематике, ориентированы не на решение общей проблемы проектирования систем для утилизации отходов, а на частные вопросы. Показано, что в 95 % всех эксплуатационных судовых отходов имеется “скрытая” энергия в виде теплоты при сгорании, которая до сих пор не получила широкого использования.
По результатам анализа априорной информации предложены способы совершенствования систем переработки основных видов эксплуатационных судовых отходов, сформулированы цель и основные задачи исследования.
Во второй главе обосновывается необходимость в определении энерго-вооруженности судна для обеспечения работы комплекса систем переработки отходов.
Проведена статистическая обработка данных за навигацию 2007 г. по объемам судовых отходов на судоходном участке с границами по р. Волга от г. Балахна (878 км) до с. Сомовка (1047 км), по р. Ока (от 28 км до устья) с центром в г. Нижний Новгород.
Выполнив обработку информации различных источников за период с 2003 по 2008 г., принимая во внимание настоящее исследование, учитывая увеличение объемов перевозок речным флотом и будущее вступление России во Всемирную торговую организацию (ВТО), можно прогнозировать дальнейшее увеличение объемов всех видов судовых отходов и назревшую необходимость принятия мер для их переработки и утилизации.
Разработаны технологические процессы переработки и рекуперации основных видов судовых отходов: переработки СВ, утилизации осадка СВ, переработки НВ и утилизации обезвоженного нефтепродукта, утилизации и рекуперации сухого мусора и пищевых отходов.
Показана необходимость применения технологий, обеспечивающих не переработку, а утилизацию и рекуперацию отходов в комплексе систем. Так, нефтешламы, сухой мусор, шламы СВ и НВ утилизируются сжиганием. Перспективно использование альтернативного вида топлива – биогаза, генерируемого из осадка СВ и пищевых отходов. Получаемую теплоту целесообразно использовать для нужд самого судна: производства электроэнергии, пропульсивного комплекса и т.п., избыточная энергия может передаваться внешним потребителям. В результате реализации технологий в системах СКПО будет скапливаться небольшое количество неперерабатываемого мусора и сухой зольный остаток, которые необходимо сдавать на береговые предприятия (рис. 1).
Выбраны перспективные схемы систем СКПО: СОСВ, СОНВ, утилизации и рекуперации отходов, генерации биогаза, питания судовой энергетической установки (СЭУ).
Обоснована структурная схема систем СКПО (рис. 2). Выполнение представленных требований позволит спроектировать современные высокоэффективные системы, обеспечивающие выполнение всех ограничений действующего и перспективного природоохранного законодательства.
Вычислены производительности основных систем переработки судовых отходов СКПО: СОСВ, СОНВ, системы производства биогаза и переработки судового мусора. Определены количества и основные энергетические показатели отходов и продуктов их переработки. Произведен расчет станции производства биогаза.
Выполнено определение суммарного количества теплоты, образующегося при переработке основных видов судовых отходов СКПО, а также определено количество пара, получаемого в котлоагрегате в результате использования этого количества теплоты.
По результатам проведенной работы выявлена необходимость в экспериментальных исследованиях по определению влажности и содержанию ВВ в субстрате, подвергаемом анаэробному сбраживанию по выбранной технологии обработки осадка судовых СВ.
Рисунок 1 – Общая функциональная схема систем СКПО
Рисунок 2 – Общая структурная схема систем СКПО
Кроме того, значительный разброс по удельной теплоте сгорания каждого продукта переработки сильно усложняет, а в ряде случаев делает невозможным правильно оценить количество теплоты, генерируемое при термической переработке отходов в комплексе систем СКПО. Поэтому требуется провести статистический анализ теплоты сгорания с целью определения средней величины, которая обеспечит наиболее вероятную оценку количества теплоты при проектировании предлагаемого автором комплекса систем.
В третьей главе приводятся экспериментальные и статистические исследования, математическое описание, а также математическое моделирование систем СКПО.
Осуществление эксперимента потребовало разработки специального стенда (см. рис. 3). Созданный стенд имитирует работу блока подготовки осадка СВ к анаэробному сбраживанию в судовых условиях. Исследования проводились при постоянной объемной скорости и на расчетном режиме работы гидроциклона. При проведении эксперимента варьировалось значение давления за гидроциклоном рг2, чем имитировался перепад высот установки гидроциклона СОСВ и заборного патрубка танка-отстойника СВ.
Рисунок 3 – Принципиальная схема стенда
1 – танк-отстойник исходных СВ; 2 – термометр; 3 – насос; 4 – кран пробоотборный; 5 – клапан регулировочный; 6 – расходомер; 7 – манометр; 8 – гидроциклон; 9 – емкость для сбора осадка; 10 – емкость осветленных СВ; 11 – трубопровод обводной.
По результатам анализа экспериментов с помощью программного продукта STATISTICA 6.0 получены полиноминальные регрессионные зависимости для определения искомых величин с точностью 95%. Концентрация
ВВ в обработанном осадке СВ после гидроциклонирования будет, г/м3:
 . | (1) |
Влажность осадка СВ после гидроциклонирования составит, %:
 . | (2) |
Экспериментальные и рассчитанные в программном пакете MathCAD 2001 Professional по полученным регрессионным уравнениям графические зависимости изображены на рис. 4.
Рисунок 4 – Содержание ВВ и влажность обработанного осадка СВ
После обработки результатов эксперимента установлено, что усредненные максимальные определенные экспериментом концентрации ВВ в судовых СВ составляют С = 126 585±8 372 мг/л. Также выявлено, что минимальная величина влажности загружаемого субстрата составляет dmud = 91,625±1,625%. Анализируя полученные результаты, можно сделать вывод о том, что и содержание ВВ и влажность осадка судовых СВ достигают рекомендуемых значений при оптимальном давлении рг2 = 50 кПа, что видно на графиках (рис. 4). Таким образом, при проектировании и эксплуатации блоков подготовки осадка судовых СВ к анаэробному сбраживанию с применением гидроциклонирования целесообразно ориентироваться на результаты проведенной работы.
Следующим этапом стало определение средневероятностных значений теплоты сгорания для основных видов термически утилизируемых судовых отходов и продуктов их переработки. Выявлена зависимость искомых величин от типа судна и соотношения групп производственных и твердых бытовых отходов (ТБО). Результаты исследования приведены в табл. 1.
Таким образом, после проведения экспериментальных и статистических исследований на данном этапе определены все неизвестные величины, необходимые для математического описания работы комплекса систем СКПО.
Таблица 1 – Энергетические показатели основных видов судовых отходов, перерабатываемых в системах СКПО
| № п/п | Вид судовых отходов | Продукт переработки | Средневероятностная теплота сгорания  , кДж/кг |
| 1 | СВ и пищевые отходы | Биогаз | 24 311 |
| Органический шлам | 13 866 | ||
| 2 | НВ | Обезвоженный нефтепродукт | 42 887 |
| 3 | Сухой мусор | Твердое топливо | 18 255 |
Анализ существующих гидродинамических, физических и химических процессов, происходящих в системах переработки основных видов эксплуатационных судовых отходов, произведен на основании теоретических предпосылок и исследований таких ученых, как Баранов А.Л., Богатых С.А., Барац В.А., Васильев Л.А., Волков Л.С., Карастелев Б.Я., Кульский Л.А., Курников А.С, Лукиных Н.Л., Решняк В.И., Стаценко В.Н., Этин В.Л., Яковлев С.В., Баадер В., Бойлс Д., Бренндерфер М., Доне Е., Заборски О., Соуфер С., Рандольф Р. и др., характеризующих эти процессы и дающих возможность составить математическое описание работы комплекса взаимодействующих систем СКПО.
Математическое описание работы всех указанных систем состоит из уравнений материального, энергетического и теплового балансов.
Математическая модель СОСВ состоит из системы 10 уравнений, по которой можно определить при проектировании основные характеристики:
1. Уравнение, выражающее необходимую производительность первой ступени СОСВ:
 , | (3) |
где QСВ – количество СВ, поступающих на переработку на станцию, м3/ч
(определяется по среднесуточному значению);
kОСВ – коэффициент, характеризующий количество осадка в СВ
(согласно данным судовых испытаний kОСВ = 0,1).
2. Уравнение, отражающее необходимую производительность узла доочистки СОСВ:
 , | (4) |
где QСВБГ – количество СВ, образующихся при осушении шлама станции
производства биогаза, м3/ч.
3. Уравнения, отражающие процесс коагуляции:
 , | (5) |
где р-р – плотность раствора реагента в воде, кг/м3;
в – плотность очищаемой СВ, кг/м3;
bв, bреаг – доли воды и реагента в растворе.
4. Уравнение, определяющее потребную производительность озонатора:
 , | (6) |
где q2 – доза озона, вводимая в СВ, г/м3;
Qр – объемная скорость рабочей среды в водовоздушном эжекторе, м3/с.
5. Уравнения, характеризующие процессы озонофлотации и вторичного озонирования:
 ;  ;  , | (7) |
где Qр’ – объемная скорость рабочей среды в водо-воздушном эжекторе при озонофлотации, м3/с;
Qр’’ – объемная скорость рабочей среды в водо-воздушном эжекторе при вторичном озонировании, м3/с;
kшл – коэффициент, учитывающий объемную скорость отводимых из флотатора СВ в шлам;
kp – коэффициент рециркуляции (направляется (12…30)% СВ).
Qн’ – объемная скорость озоно-воздушной смеси в эжекторе при озонофлотации, м3/с;
Qн’’ – объемная скорость озоно-воздушной смеси в эжекторе при вторичном озонировании, м3/с;
q2’, q2”– дозы озона, вводимые в СВ при озонофлотации и вторичном озонировании, г/м3.
– концентрация озона в озоно-воздушной смеси, г/м3.
6. Уравнение энергетического баланса в системе:
 , | (8) |
где Н1, Н2 – геометрические высоты в 1-м и 2-м сечениях, м;
р1, р2 – давление в 1-м и 2-м сечениях, кПа;
– плотность жидкости, кг/м3;
, 
– средние скорости движения потоков в 1-м и 2-м сечениях, м/с;
– потеря напора на участке 1–2, м.
Математическая модель СОНВ при использовании доочистки обработанных НВ представлена в 6 уравнениях:
1. Уравнение, определяющее производительность СОНВ:
 , | (9) |
где QНВ max – максимальное значение среднесуточного объема НВ, принимаемых на переработку, м3/ч.
2. Система уравнений, описывающая работу отстойника [21]:
 ;  , | (10) |
где 
– скорость всплывания нефтяной частицы из эмульсии НВ в отстойнике, м/с;
kт – коэффициент, учитывающий наличие в НВ механических примесей, для судовых НВ kт = 0,85;
– плотность нефтепродукта, для судовых НВ 
= 890 кг/м3;
k – эмпирический коэффициент, зависящий от температуры обработки;
Dон – диаметр нефтяных частиц, для судовых НВ Dон = 30 мкм;
L0 – эквивалентная длина сооружения (по средней линии тока), м;
НО – высота эквивалентного кольца винтовой зоны отстойника, м.
3. Система уравнений, характеризующая работу коалесцирующего фильтра:
 ;  , | (11) |
где Hк – высота слоя коалесцирующего материала, м;
С1НВ, С2НВ – концентрации нефтепродукта в исходной и очищенной воде. Согласно требованиям Российского Речного Регистра С2НВ = 8 мг/дм3;
К – скорость фильтрации по полному сечению фильтра, мм/с. Для судовых НВ значение 
К =1,5 мм/с.
4. Уравнение энергетического баланса в системе (см. формулу 8).
Математическая модель станции производства биогаза и обезвреживания пищевых отходов выражается системой из 6 уравнений:
1. Система уравнений, отражающая количество поступающих отходов:
 ;  , | (12) |
где QПО – количество пищевых отходов, поступающих на переработку, кг/ч;
QСМmax – максимальное значение массы принимаемых отходов, кг/ч;
kПО – коэффициент, характеризующий содержание пищевых отходов в общем объеме принимаемого судового мусора.
2. Система уравнений, характеризующая процесс анаэробного сбраживания:
 ;  ;  ;  , | (13) |
где Rlim – максимально возможное сбраживание беззольного вещества осадка в зависимости от его химического состава;
Cжир, Cугл, Cбелк – соответственно концентрация жиров, углеводов и белков, г на 1 г беззольного вещества осадка;
mр – количество распавшегося беззольного вещества осадка, кг/ч;
mн – количество нераспавшегося беззольного вещества осадка, кг/ч;
Qг – суточный объем генерируемого газа, м3/сут.
Математическая модель комплекса переработки сухого мусора состоит из следующих трех уравнений:
1. Уравнение, определяющее производительность комплекса:
 , | (14) |
где QСМmax – максимальное значение массы принимаемых отходов, кг/ч.
2. Уравнения, характеризующие параметры основных элементов комплекса, – вибростола, конусной дробилки, металлоуловителя, классификатора; подачи главных транспортеров, винтового питателя сжигаемых отходов:
 ;  , | (15) |
где QВБ – производительность вибростола, кг/ч;
QКД – производительность конусной дробилки, кг/ч;
QКВ – производительность воздушного классификатора, кг/ч;
QКМ – производительность металлоуловителя, кг/ч;
QГТ – производительность главных транспортеров отходов, кг/ч;
QВП – производительность транспортера сжигаемых отходов, кг/ч.
Математическая модель системы термической утилизации судовых отходов в котлоагрегате представлена двумя уравнениями:
1. Уравнение, определяющее суммарное количество теплоты при сжигании различных видов топлива:
 , | (16) |
где mНВ – суточная масса поступающих на переработку НВ, т/сут.
2. Уравнение, выражающее количество получаемого в котлоагрегате пара при сжигании всех видов отходов и продуктов их переработки:
 | (17) |
Полученные модели взаимодействующих систем могут применяться как в комплексе – при проектировании СКПО, так и при создании отдельных установок инженерной защиты окружающей среды на водном транспорте.
Для установления адекватности математической модели применен F-критерий (критерий Фишера). Во всех приведенных сериях опытов значение F-критерия, определенного с помощью программного продукта STATISTICA 6.0, нигде не превышает табличного, следовательно, разработанная математическая модель достоверно отражает ход реальных процессов в системах.
В четвертой главе представлены новая схема СКПО с взаимодействующими системами, методика проектирования СКПО, создан алгоритм проектирования комплекса взаимодействующих систем, произведено внедрение указанной методики при разработке нормативно-технической базы, а также предложен вариант переоборудования серийного теплохода типа “ОС” проекта 354К в СКПО. Кроме того, оценен социально-экологический и экономический эффекты от предлагаемых мероприятий.
На основе предложенных технологических процессов с учетом проведенных теоретических и экспериментальных исследований разработана функциональная схема комплекса систем СКПО для переработки эксплуатационных судовых отходов с целью их последующей рекуперации (рис. 5).
Разработанные математические модели служат основой для методики проектирования комплекса взаимодействующих систем СКПО. Алгоритм проектирования комплекса систем представлен на рис. 6.
Теоретические основы процессов, происходящих во взаимодействующих системах переработки и рекуперации отходов, а также методика проектирования комплекса данных систем позволили разработать:
- технические условия ТУ 4859-001-03149576-2007 на СОСВ, предназначенные для эксплуатации в судовых и стационарных (береговых) условиях со станциями типа “СОСВ-5”, “СОСВ-10”, “СОСВ-20” производительностью соответственно 5 м3/ч, 10 м3/ч и 20 м3/ч. Данные СОСВ производят очистку, обеззараживание и дезодорацию СВ до существующих требований. В СОСВ используется для очистки стоков реагентная коагуляция, озонофлотация, механическая очистка на песчаных фильтрах и обеззараживание озоном и ультрафиолетовым облучением. Высокая надежность предлагаемых систем одобрена Регистром, Роспотребнадзором и Ростехнадзором;
- мобильную станцию комплексной переработки эксплуатационных судовых отходов с целью их последующей рекуперации (положительное решение о выдаче патента РФ на изобретение № 2007119837/15);
- комплекс систем для мобильной станции переработки эксплуатационных судовых отходов с целью их последующей рекуперации (патент РФ на полезную модель № 2009104258/22);
- плавучий туристический комплекс, состоящий из плавбаз с жилыми и вспомогательными помещениями, средствами жизнеобеспечения и буксировочного судна снабженного комплексом систем для переработки и последующей рекуперации отходов (патент РФ на полезную модель № 2009111780/22).
Рисунок 5 – Функциональная схема систем СКПО для переработки эксплуатационных судовых отходов с целью их последующей рекуперации
1 – СВ; 2 – хозяйственно-фекальные СВ; 3 – хозяйственно-бытовые СВ; 4 – пищевые отходы; 5 – сухой мусор; 6 – НВ; 7 – подсланевые НВ; 8 – НВ от мойки и зачистки грузовых танков нефтеналивных судов; 9 – система подготовки СВ; 10 – система доочистки и обеззараживания СВ; 11 – установка сортировки пищевых отходов; 12 – установка сортировки сухого мусора; 13 – система анаэробного сбраживания; 14 – сепаратор НВ; 15 – установка доочистки и обеззараживания НВ; 16 – устройство обезвоживания стока станции производства биогаза; 17 – система газоочистки; 18 – паровые котлоагрегаты; 19 – главный котлоагрегат; 20 – вспомогательный котлоагрегат; 21 – нужды теплоснабжения; 22 – внутренние потребители; 23 – внешние потребители; 24 – потребители СКПО; 25 – отопление; 26 – кондиционирование; 27 – холодоснабжение; 28 – электрогенерирующие устройства; 29 – паровые поршневые электрогенераторы; 30 – паровые турбогенераторы; 31 – дизельные и газовые электрогенераторные агрегаты; 32 – главный распределительный щит (ГРЩ); 33 – группа внешних потребителей электроэнергии; 34 – группа потребителей СКПО; 35 – движительные устройства; 36 – главный паровой двигатель; 37 – вспомогательный электродвигатель; 38 – вспомогательные системы СЭУ; 39 – главная передача; 40 – конденсационная установка.
Рисунок 6 – Алгоритм проектирования комплекса систем СКПО
Методика проектирования комплекса систем была предложена для переоборудования серийного теплохода типа “ОС” проекта 354К в СКПО, предназначенное для обслуживания пассажирского флота на судоходном участке с центром в г. Н.Новгород.
В результате произведенных расчетов подобраны необходимые для переоборудования элементы, устройства и агрегаты перерабатывающих и энергетических систем судна. Вопрос размещения оборудования на борту СКПО при переоборудовании судна, расчеты нагрузок, остойчивости, управляемости, ходкости и т.п. не входят в задачи данной работы.
Суточное энергопотребление СКПО (тепловой баланс), определенное с учетом характеристик исходного судна, представлено в табл. 2.
Выполнив анализ табл. 2, можно сделать вывод о том, что производимой на борту СКПО энергии будет достаточно для его полной энергообеспеченности и автономного функционирования.
Таблица 2 – Тепловой баланс СКПО
| Статья энергопотребления | Затраты теплоты по группам потребителей, кВтч | |
| 1. | СЭУ | |
| 1.1. | Главный двигатель | 10 105 |
| 1.2. | Теплоснабжение | 2 954 |
| 1.3. | Энергоснабжение | 4 412 |
| 2. | Потребители перерабатывающих систем | 100 000 |
| 3. | Внешние потребители | 68 111 |
| Итого | 185 682 |
Социально-экологический эффект от внедрения результатов предлагаемых автором мероприятий выражается в следующем:
- предотвращение эмиссии загрязняющих окружающую среду СВ, НВ, судового мусора, а также дымовых газов;
- возможность практически полной переработки основных видов эксплуатационных судовых отходов непосредственно на борту СКПО;
- повышение эффективности КОФ судов всех типов;
- улучшение экологического состояния водоемов на судоходных участках;
- улучшение эстетического восприятия природы.
Экономический эффект от внедрения предлагаемого комплекса систем (табл. 3) определен для варианта переоборудования серийного теплохода типа “ОС” проекта 354К в СКПО, предназначенное для эксплуатации на судоходном участке с центром в г. Н.Новгород.
Таблица 3 – Экономические показатели СКПО
| Наименование показателя | Ед. изм. | Значение |
| Балансовая стоимость судна после переоборудования, Кп | руб. | 30 179 140 |
| Доходы за навигацию, Д | руб. | 10 006 746 |
| Общие расходы по эксплуатации, Эобщ | руб. | 4 349 664 |
| Себестоимость содержания СКПО в сутки эксплуатации, С | руб./судо-сут | 17 973 |
| Фондоотдача, fотд | руб./руб. | 0,331 |
| Фондоемкость, fемк | руб./руб. | 3,021 |
| Прибыль от переработки эксплуатационных судовых отходов, П | руб. | 5 657 082 |
| Уровень рентабельности текущих затрат, Уз | % | 130,06 |
| Уровень рентабельности основных фондов, Уосн | % | 18,75 |
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ
Итогом произведенных в данной работе исследований является разработка научно обоснованных теоретических основ проектирования комплекса взаимодействующих систем для СКПО речного флота, обеспечивающих переработку и утилизацию эксплуатационных судовых отходов с одновременным получением энергии за счет их рекуперации, а также создание методики проектирования данных систем.
Основные результаты исследований сводятся к следующему:
1. Показано, что существующие на сегодняшний день системы переработки отдельных видов эксплуатационных судовых отходов обладают высокими массо-габаритными показателями и энергопотреблением.
2. Отмечено отсутствие, а в ряде случаев невозможность применения на речных судах необходимых в современных условиях СОСВ, СОНВ, систем переработки судового мусора, пищевых отходов, систем газоочистки.
3. Установлено, что по критериям судовой специфики целесообразно применение комплексного подхода к решению проблемы судовых отходов в виде системы КОФ с использованием комплекса систем СКПО и вспомогательных судов.
4. Предложены направления совершенствования технологий переработки эксплуатационных судовых отходов с рекуперацией скрытой тепловой энергии.
5. Проведено статистическое исследование по основным видам судовых отходов на отдельном судоходном участке с центром в г. Н. Новгород. Выявлен постоянный рост сдачи основных видов эксплуатационных судовых отходов.
6. Определены производительности систем переработки отходов: СОСВ, СОНВ, сухого мусора, пищевых отходов, станции производства биогаза.
7. Выполнено математическое описание работы основных систем СКПО и их элементов: СОСВ, СОНВ, системы переработки судового мусора, системы производства биогаза и обезвреживания пищевых отходов, а также системы термической утилизации отходов в котлоагрегате.
8. Произведена оценка количества теплоты при комплексной переработке отходов. Выявлена зависимость искомых величин от типа судна и соотношения производственных отходов и ТБО. Составлен энергетический баланс СКПО.
9. Проведены экспериментальные исследования по определению величин влажности и содержания ВВ в подготовленном к анаэробному сбраживанию осадке СВ.
10. Разработаны и предложены математические модели процессов переработки и рекуперации основных видов судовых отходов в системах СКПО с учетом их взаимодействия. Доказана адекватность предложенной математической модели взаимодействующих систем рекуперации судовых отходов.
11. На основе математических моделей разработана новая принципиальная схема СКПО с взаимодействующими системами. Создан алгоритм проектирования комплекса взаимодействующих систем, позволяющий принимать обоснованные технологические и конструкторские решения.
12. С помощью теоретических основ проектирования комплекса систем подготовлена нормативно-техническая база:
- для создания станций СОСВ типа “СОСВ-5”, “СОСВ-10”, “СОСВ-20” производительностью соответственно 5 м3/ч, 10 м3/ч и 20 м3/ч;
- для разработки патента на изобретение “Мобильная станция комплексной переработки эксплуатационных судовых отходов с целью их последующей рекуперации”;
- для разработки 2 патентов на полезную модель “Комплекс систем для мобильной станции переработки эксплуатационных судовых отходов с целью их последующей рекуперации” и “Плавучий туристический комплекс”.
13. Методика проектирования внедрена при разработке технических условий ТУ 4859-001-03149576-2007 на СОСВ со станциями типа “СОСВ-5”, “СОСВ-10”, “СОСВ-20” Высокая надежность предлагаемых станций одобрена Регистром, Роспотребнадзором и Ростехнадзором. Кроме того, получен патент РФ на изобретение “Мобильная станция комплексной переработки эксплуатационных судовых отходов с целью их последующей рекуперации” № 2007119837/15 и 2 патента РФ на полезную модель “Комплекс систем для мобильной станции переработки эксплуатационных судовых отходов с целью их последующей рекуперации” № 2009104258/22 и “Плавучий туристический комплекс” № 2009111780/22.
14. Выявлен социально-экологический эффект и рассчитаны экономические показатели от внедрения предлагаемого комплекса систем СКПО и системы КОФ. Годовой экономический эффект от переработки эксплуатационных судовых отходов составляет 5 657 082 руб.
ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
Статьи, опубликованные в изданиях, рекомендуемых ВАК:
1. Мизгирев Д.С. Специальные суда для комплексной переработки отходов с целью их последующей рекуперации / Мизгирев Д.С. // Судостроение. – СПб: ОАО “Центр технологии судостроения и судоремонта”.– 2009. – № 4. –– С. 13 - 14.
2. Мизгирев Д.С. Положительное решение о выдаче патента на изобретение № 2007119837/15, МПК С02F11/00. Мобильная станция комплексной переработки эксплуатационных судовых отходов с целью их последующей рекуперации / Курников А.С., Мизгирев Д.С.; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО “ВГАВТ”. – № 2007119837/15 (021615); заявл. 28.05.2007.– 8 с.: ил.
Статьи, опубликованные в прочих научных изданиях:
3. Мизгирев Д.С. Плавучие перерабатывающие средства (ППС) для переработки загрязняющих сточных вод и мусора в тепловую энергию посредством генерации биогаза и его сжигания. Разработка судовой энергетической установки / Мизгирев Д.С. // Материалы Всероссийской конференции аспирантов и студентов по приоритетному направлению “Рациональное природопользование”/ Сб. мат. – Ярославль: ЯрГУ им. П.Г. Демидова, 2006. – С. 130 - 131.
4. Мизгирев Д.С. Плавучие перерабатывающие очистные средства (ППОС) / Мизгирев Д.С., Курников А.С. // Материалы Всероссийской молодежной научно-технической конференции “Новые технологии водного транспорта” / Сб. мат. – Н.Новгород: изд-во ФГОУ ВПО “ВГАВТ”, 2007. – С. 67 - 69.
5. Мизгирев Д.С., Курников А.С. Судно для комплексной переработки эксплуатационных судовых отходов с целью их рекуперации / Мизгирев Д.С., Курников А.С. // IX Международный научно-практический форум “Великие реки – 2007” / Тез. докл. – Н. Новгород: изд-во НГАСУ, 2007. – С. 215 - 216.
6. Мизгирев Д.С. Вариант переработки эксплуатационных отходов с судов и прибрежных территорий / Мизгирев Д.С., Курников А.С. // VII Всероссийская выставка научно-технического творчества молодежи НТТМ-2007. Всероссийский конкурс научно-технического творчества молодежи. Лучшие проекты / Сб. мат. – М: изд-во ОАО “ГАО ВВЦ”, 2007. – С. 182 - 184.
7. Мизгирев Д.С. Плавучие перерабатывающие очистные станции / Мизгирев Д.С. // Судостроение на Волге. – Н.Новгород: изд. дом “А’ПОЛО”.– 2007. – Специальный выпуск. – С. 27 - 28.
8. Мизгирев, Д.С. WATA 313162 Плавучее перерабатывающее очистное судно [Электронный ресурс] / Мизгирев Д.С., Курников А.С. // Российская сеть трансфера технологий. – Опубл. 17.05.2007, активен до 17.05.2008. – НП “RTTN”; разработано “Четвертый Рим”, “D-engine”, 2007. – Электрон. каталог – М: НП “RTTN”, 2007. – Режим доступа: http://www.rttn.ru, свободный. – Загл. с экрана. – яз. рус., англ – 0,5 п.л.
9. Мизгирев Д.С. Плавсредство для комплексной переработки судовых эксплуатационных отходов / Мизгирев Д.С., Писарев А.О., Курников А.С. // Каталог. Первый областной конкурс молодежных инновационных команд РОСТ “Россия. Ответственность. Стратегия. Технологии.” / Сб. мат. – Н. Новгород: изд-во ННИЦ, 2007. – С. 95-98.
10. СОСВ со станциями типа “СОСВ-5”, “СОСВ-10”, “СОСВ-20”. Технические условия: ТУ 4859-001-03149576-2007. – Введ. с 01.02.2007 на срок до 01.01.2015 / Курников А.С., Мизгирев Д.С., Ванцев В.В., Горбунов Н.Д., Брагинская Т.А. // Н. Новгород: изд-во ФГОУ ВПО “ВГАВТ”, 2007. – 55 с.: ил.
11. Мизгирев Д.С. Энергетический баланс плавсредства комплексной переработки эксплуатационных судовых отходов / Мизгирев Д.С., Курников А.С. // Материалы научно.-метод конф. проф.-преп. состава, аспирантов и специалистов “Транспорт-XXI век”/ Сб. мат. – Н. Новгород: изд-во ФГОУ ВПО “ВГАВТ”, 2007. – С. 326 - 328.
12. Мизгирев Д.С. Плавсредство комплексной переработки эксплуатационных судовых отходов / Мизгирев Д.С., Курников А.С. // ХIII Нижегородская сессия молодых ученых (технические науки) / Тез. докл. – Н. Новгород: изд-во Гладкова О.В, 2008. – С. 98 - 99.
13. Мизгирев Д.С., Курников А.С. Энергетический баланс мобильной станции комплексной переработки эксплуатационных судовых отходов / Мизгирев Д.С., Курников А.С. // X Международный научно-практический форум “Великие реки - 2008” / Тез. докл. – Н. Новгород: изд-во НГАСУ, 2008. – С. 225 - 228.
14. Мизгирев Д.С. Ресурсосберегающие суда для комплексной переработки эксплуатационных отходов / Мизгирев Д.С. // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. – Новосибирск: изд-во ФГОУ ВПО “НГАВТ”.– 2008. – № 2. –– С. 291 - 294.
15. Мизгирев Д.С. Математическое моделирование систем судна комплексной переработки эксплуатационных судовых отходов / Мизгирев Д.С., Курников А.С. // Вестник ВГАВТ “Судовая и промышленная энергетика”. – Н. Новгород: Изд-во ФГОУ ВПО “ВГАВТ”. – 2008. –вып. 16. – С. 85 - 99.
16. Курников А.С. Патент на полезную модель № 2009104258/22, МПК С02F11/00. Комплекс систем для мобильной станции переработки эксплуатационных судовых отходов с целью их последующей рекуперации / Курников А.С., Мизгирев Д.С.; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО “ВГАВТ”. – № 2009104258/22 (05658); заявл. 09.02.2009.– 5 с.: ил.
17. Курников А.С. Патент на полезную модель № 2009111780/22, МПК В63В35/73. Плавучий туристический комплекс/ Курников А.С., Мизгирев Д.С., Домнина О.Л., Молочная Т.В.; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО “ВГАВТ”.– № 2009111780/22 (016046); заявл. 30.03.2009.– 3 с.: ил.
Формат 6084 1/16. Гарнитура «Таймс».
Ризография. Усл. печ. л. 1,2. Уч.-изд. л. 1,3.
Тираж 100 экз. Заказ 349.
Издательско-полиграфический комплекс ФГОУ ВПО «ВГАВТ»
603950, Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5а
