|
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
ХАРКІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ БУДІВНИЦТВА ТА АРХІТЕКТУРИ
КОЛОТИЛО АНДРІЙ МИКОЛАЙОВИЧ
УДК 628.16
ЗАМКНЕНІ СИСТЕМИ ВОДОПОСТАЧАННЯ ПЕРЕРОБНИХ ТА МІНІ-ЗАВОДІВ ЧОРНОЇ МЕТАЛУРГІЇ
05.23.04-водопостачання, каналізація
АВТОРЕФЕРАТ
ДИСЕРТАЦІЇ НА ЗДОБУТТЯ ВЧЕНОГО СТУПЕНЯ
КАНДИДАТА ТЕХНІЧНИХ НАУК
ХАРКІВ-2000
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Харківській державній академії міського господарства
Науковий керівник:
Доктор технічних наук, професор кафедри
“Водопостачання, водовідведення та
очистки вод” Харківської державної
академії міського господарства
Пантелят Гаррі Семенович
Офіційні опоненти:
Доктор технічних наук, професор, завідую-
чий кафедрою Донбаської державної акаде-
мії будівництва і архітектури
Найманов Аубекір Ягопірович
Кандидат технічних наук, заступник директора
з наукової роботи НДІ “УкрКомунНДІПрогрес”
Китаєв Арон Львович
Провідна установа: Київський національний університет будівництва і архітектури кафедри “Водопостачання” і “Гідравліки та водовідведення”
Захист відбудеться 26 квітня 2000 року об 1100 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.056.03 при Харківському державному технічному університеті будівництва та архітектури за адресою: 61002.м. Харків, вул. Сумська, 40.
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці університету.
Автореферат розіслано 24 березня 2000 року.
Вчений секретар спеціалізованої
вченої ради, д.т.н., професор Г.С. Пантелят
Загальна характеристика роботи
Актуальність роботи. Чорна металургія України відноситься до тих галузей промисловості, які характеризуються найбільшим споживанням води. Не зважаючи на те, що металургійні підприємства України досягли значного показника щодо використання води в замкнених системах водопостачання (80 % від загального водоспоживання), кількість стічних вод, що скидаються у водоймища, залишається досить високою і складає 1,5-1,8 млрд. м3/рік.
Найбільші наукові та технічні труднощі виникають при переводі на замкнене оборотне водопостачання заводів, де виробничий цикл містить процеси хімічної обробки поверхні, такі як травлення та нанесення захисних покриттів. До числа таких заводів належать: комбінат “Запоріжсталь”, Молдавський, Білоруський і Волгоградський “Красный Октябрь” заводи та інші.
Питання створення замкнених систем оборотного водопостачання цих підприємств залишаються невирішеними і актуальними. Це пов’язано з тим, що потребують розробки і обґрунтування методи хімічної підготовки свіжої (для підживлення системи) води, яка подається на підприємства з диференціацією в залежності від особливостей груп заводів, нові ефективні методи очистки і використання засолонених стічних вод від регенерації іонообмінних фільтрів хімводоочисток, споруди для накопичення, очистки і використання поверхнево-зливового стоку (ПЗС) з території підприємств.
Роботу виконано згідно плану міністерства освіти України “Розробка теорії екологічної безпеки та надійності життєдіяльності для об’єктів будівництва, промисловості та впровадження екологічних систем оборотного водопостачання машинобудівних та металургійних підприємств, які виключають скид стічних вод у водоймища України”, Держ. реєстр. №0194V038207.
Метою дисертаційної роботи є наукове обґрунтування і розробка замкнених систем оборотного водопостачання переробних та міні-заводів чорної металургії на підставі використання спрощеної технології підготовки свіжої (додаткової) води і стічних вод від промивки іонообмінних фільтрів, а також інтенсифікації очистки ПЗС і його використання для поповнення систем оборотного водопостачання.
Наукова новизна роботи :
- Розроблена спрощена технологія підготовки свіжої (додаткової) води для систем оборотного водопостачання переробних та міні-заводів чорної металургії.
- Виконано розрахунки водного та сольового (матеріального) балансів систем оборотного водопостачання, що працюють з охолодженням води на відкритих та закритих водоохолоджуючих спорудах.
- Показано, що на стабільність води великий вплив має температура в пристінному шарі. Отримано рівняння, яке пов’язує температуру води у пристінному шарі з середньою її температурою.
- Розроблена нова конструкція споруди для очистки поверхнево-зливового стоку з території міні-заводу чорної металургії.
- Обґрунтована можливість створення замкнених систем водопостачання переробних та міні-заводів чорної металургії, які виключають продувку і скид стічних вод у водоймища.
Практичне значення роботи :
- Розроблено технічні рішення та рекомендації, спрямовані на удосконалення систем водопостачання переробних та міні-заводів чорної металургії, які полягають у переводі на повністю замкнене, чи близьке до нього, оборотне водопостачання.
- Розроблено нову конструкцію споруди для очистки ПЗС з території переробних і міні-заводів чорної металургії.
3. Визначено сферу використання розроблених технічних рішень. Встановлено, що вони можуть бути використані на підприємствах металургійного та машинобудівного комплексів України. Ці технічні рішення використані в галузевих нормах технологічного проектування водного господарства металургійних підприємств України (том 12 і том 14).
Особистий внесок автора :
1.Розроблено і виконано монтаж лабораторних стендів, які дозволили здійснити моделювання замкнених систем оборотного водопостачання, а також виконати дослідження методів хімічної, фізико-хімічної та стабілізаційної обробки свіжої (додаткової) води, що подається на завод в цілому, а також в окремі системи оборотного водопостачання переробних та міні-заводів чорної металургії.
2. Виконано розрахунки водного та сольового (матеріального) балансів систем оборотного водопостачання, що працюють з охолодженням води на відкритих та закритих спорудах.
3. Розроблено нову конструкцію споруди для накопичення і очистки (ПЗС) з території переробних і міні-заводів чорної металургії.
Апробація роботи. Основні результати роботи і головні положення дисертації доповідались на 51, 59 і 60 науково-технічних конференціях Харківського державного технічного університету будівництва та архітектури (ХДТУБА), на 29 науково-технічній конференції викладачів, аспірантів і співробітників Харківської державної академії міського господарства (ХДАМГ), на Міжнародній конференції “Экология, охрана окружающей среды и энергосберегающие ресурсы” Теrra Тес., Лейпциг (Германія), 04.03 1999.
Публікації. За результатами роботи опубліковано 8 друкованих праць у різних видавництвах України, в тому числі 2 без співавторів, подано заявку на отримання патенту України на конструкцію споруди для очистки поверхнево-зливового стоку.
Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, п’яти розділів, загальних висновків, списку літератури із 133 найменувань, 4 додатків і вміщує 118 сторінок основного тексту, 38 таблиць, 24 рисунки, усього 186 сторінок.
Зміст роботи
У вступі обґрунтовано актуальність роботи, сформульовано мету й задачі дисертаційного дослідження, наукову новизну і практичну цінність.
У першому розділі дисертації наведено аналіз стану питання очистки та використання у замкнених системах оборотного водопостачання стічних вод промислових підприємств. Показано, що в теперішній час підприємства чорної металургії України скидають у водоймища досить значну кількість стічних вод, яка сягає 1,8 млрд.м3/рік. Це свідчить про те, що методи, апарати і споруди, призначені для очистки стічних вод, мають певні недоліки, які не дозволяють забезпечити експлуатацію систем водопостачання в замкненому режимі.
В удосконалення роботи систем оборотного водопостачання промислових підприємств, зокрема заводів і комбінатів чорної металургії, великий внесок зробили відомі вчені, фахівці та інженери: Андоньєв С.М., Мамет А.Б., Пономарьов В.Г., Гладков В.А., Кучеренко Д.І., Левін Г.М., Пушкарьов В.В., Березюк В.І., Дятлова Н.М., Дрікер Б.Н., Пантелят Г.С. та інші. Але практика свідчить, що традиційні підходи не завжди дають змогу досягти необхідного результату щодо створення замкнених чи близьких до них систем оборотного водопостачання. Зокрема вони не спроможні створити такі системи для переробних та міні-заводів чорної металургії, для яких притаманно створення великої кількості стічних вод, забруднених різноманітними хімічними сполуками, що заважає їх використанню в замкнених системах.
Показано, що перспективним напрямком є розробка методів спрощеної технології хімічної підготовки свіжої (для підживлення) води, яка спрямовується на поповнення систем водопостачання заводів, використання технології регенерації та використання стічних вод від промивки натрій-катіонітових фільтрів, а також розробка засобів акумулювання та використання ПЗС з території підприємства.
У другому розділі містяться результати досліджень водно-хімічного режиму систем оборотного водопостачання деяких діючих, найбільш представницьких переробних та міні-заводів чорної металургії, наведено аналіз досвіду їх експлуатації. В якості базових підприємств обрані металургійний завод “Красный Октябрь” (м. Волгоград) та Білоруський металургійний завод (БМЗ). Завод “Красный Октябрь” відрізняється тим, що має розгалужені технології хімічної обробки поверхні металу, які перешкоджають переходу його на замкнене оборотне водопостачання і обумовлюють скид великої кількості стічних вод у Волгу. Проектування та будівництво БМЗ виконані на підставі технологій і обладнання закордонних фірм, зокрема фірми “Фест-Альпіне”. При цьому проектом передбачено, що система водопостачання БМЗ буде працювати у повністю замкненому режимі, без скиду стічних вод у р. Дніпр з використанням технологій, які дозволяють знесолити та вилучити за допомогою випарювання солоні води, які утворюються при пом’якшенні води, при продувці парових котлів та інше.
Виконано дослідження водно-хімічного режиму роботи систем оборотного водопостачання вказаних заводів, включаючи відкриті і закриті системи, які є характерними для БМЗ. Слід відзначити, що використання закритих систем водопостачання є новим і досить прогресивним рішенням екологічних питань завдяки можливості суттєво скоротити викиди забруднюючих речовин, зокрема різноманітних розчинених солей на територію підприємств, а також на території навколо заводів.
Розрахунки здійснювали за допомогою рівняння водно-сольового балансу, яке дозволило визначити основні параметри водно-хімічного режиму як для відкритих, так і для закритих систем, а також визначити вплив знешкодження ( випарювання) сольових вод на розмір викидів солей в навколишнє середовище.
Показано, що знаючи тільки вміст хлоридів у додатковій і оборотній воді, можливо з достатньою ступінню точності визначити значення коефіцієнта концентрування Кк, а також величину продувки системи, або, в порядку контролю, величину втрат води у вигляді витоку, або скиду.
Встановлено, що система оборотного водопостачання заводу “Красный Октябрь” працює зі скидом стічних вод у р. Волгу у кількості, яка перевищує 1600 м3/год. При цьому коефіцієнт концентрування добре розчинних солей (Кк) у окремих оборотних циклах знаходиться на рівні 1,5, а по заводу в цілому - 1,62. Вказано, що при переводі заводу на замкнену систему оборотного водопостачання величина Кк сягає рівня-3,05, а загальний солевміст оборотної води умовно “чистих” циклів буде знаходиться на рівні 600-900 мг/л.
Щодо БМЗ, виконані розрахунки дозволили встановити, що при діючій системі знесолення всіх сольових вод заводу величина коефіцієнту концентрування добре розчинних солей для заводу в цілому складає-2,06, загальний солевміст у воді, яка використовується для поповнення діючих оборотних циклів заводу, -274 мг/л, для окремих оборотних циклів - 1100 мг/л. При відсутності випарювальної установки ці величини складають відповідно 324 і 1300 мг/л. Виконано розрахунки, які визначили загальну кількість солей, що викидаються з системи з краплинним викидом при роботі випарювальної установки та без неї. У першому випадку вона складає 26,3 кг/год, у другому-31,1 кг/год.
Третій розділ присвячено дослідженню спрощеної технології підготовки свіжої, додаткової води, яка спрямовується на завод для поповнення систем оборотного водопостачання. Ці дослідження виконано стосовно до переробних та міні-заводів чорної металургії.
Дослідження здійснювали у динамічних умовах на двох циркуляційних контурах, котрі моделювали замкнену систему водяного охолодження. У методичному плані дослідження відрізнялися тим, що циркуляційні контури могли працювати без будь-якої продувки, а також в режимі відсутності крапельного виносу води, тобто втрати води складалися тільки з втрат на випарювання. Дослідження проводили на штучно підготовленій воді, яка відповідала складу води р. Дністер у районі Молдавського металургійного заводу і р. Дніпро у районі Білоруського металургійного заводу.
У лабораторних умовах вивчали вплив температури і сольового складу води на величину рівноважної лужності. Встановлено, що рівноважна лужність зменшується зі збільшенням температури води (рис.1).
У зв’язку з тим, що відкладення утворюються переважно на підігрітій поверхні, головним чинником, який впливає на процес їх утворення, є температура води поблизу теплонавантаженої поверхні. Для дуже теплонавантажених поверхонь (зводи електропечей, нагрівальні печі та інші) середня температура охолоджуючої води значно відрізняється від температури у пристінному шарі. Це зумовлює, що стабільність води диктується її температурою у пристінному шарі.
В основу визначення цієї температури покладене відоме рівняння гідродинамічної теорії теплообміну Рейнольдса – Прандтля:
 , (1)
де S - дотичне напруження у пристінному шарі теплопередаючої
поверхні, Па;
W - середня швидкість руху води в трубопроводі, м/с ;
 - температура води у пристінному шарі, 0С ;
tн - середня температура нагрітої води, 0С ;
q - тепловий потік через одиницю площі, дж/(м2⋅с) ;
Cр – питома теплоємність води, дж /(кг⋅0С);
ε - коефіцієнт опору тертю. Для турбулентного руху 
Із гідравліки відомо, що для круглої труби
 , а 
де ρ - густина води, кг/м3 (для води ρ = 1000 кг/м3) ;
R - радіус трубопроводу, м ;
ν - кінематичний коефіцієнт в’язкості води, м2/с.
Re - постійна Рейнольдса ;
d - діаметр трубопроводу, м.
Підставивши значення S , ε і Re у рівняння (1), отримаємо
 (2)
Витрата води на охолодження теплонавантаженої поверхні залежить від теплового потоку, теплоємності та густини води і від перепаду температур охолоджуючої води. Перелічені чинники пов’язані таким рівнянням:
 , (3)
де
Ω - площа теплонавантаженої поверхні, м2;
Q – витрата води м3/с ;
(tн – tох) - середній перепад температур охолоджуючої води, 0С;
tох – середня температура охолодженої води, 0С.
Таким чином, з рівняння (3) визначаємо витрату води у трубопроводі для певного теплового потоку та різниці температур нагрітої та холодної води. Потім, задавшись діаметром трубопроводу, вираховуємо швидкість руху води в ньому. Температуру води у пристінному шарі визначаємо з рівняння (2).
Отримане рівняння пов’язує температуру води у пристінному шарі з середньою її температурою, що має практичну цінність і дозволяє надати оцінку стабільності води відомого хімічного складу. Для цього треба знати температуру води у пристінному шарі, або температуру охолоджуючої води, яка забезпечує її стабільність.
Співставлення реальних температур, визначених безпосередньо інструментальними вимірами і отриманих розрахунками згідно отриманій залежності, показало, що вони різняться у межах 10%, що є достатнім для інженерних розрахунків.
Експериментальним шляхом визначено вплив компонентів солевмісту на величину рівноважної лужності (рис.2) та отримано відповідні математичні залежності.
Запропонована математична залежність (5), (6), що описує водний та сольовий (матеріальний) баланс замкнутих систем оборотного водопостачання промислових підприємств, зокрема Молдавського металургійного заводу, який має у своєму складі 5 оборотних циклів.
 ; (5)  . (6)
де Nц – кількість циклів;
Kki – коефіцієнти концентрування у i–му циклі;
CCli – концентрація хлоридів у підживлюючій воді i–го циклу, мг/л;
Qунi – втрати крапельної рідини на градирні і зі шламом у i–му циклі, м3/год;
Ki – коефіцієнти розсіювання хлоридів, які містяться у крапельній рідині i–го циклу;
 - кількість джерел випарювання у i–му циклі;
 - витрата води на випарювання у j-му джерелі i–го циклу, м3/год;
 - кількість джерел механічних втрат води у i–му циклі;
 - витрата води на механічні втрати m-му джерелі i–го циклу, м3/год;
Nсв – кількість джерел надходження хлоридів зі свіжою водою ззовні;
CClр - концентрація хлоридів у свіжій воді з р–го циклу, мг/л;
Qсвр – витрата свіжої води з р–го джерела, м3/год.
Четвертий розділ присвячено розробці та дослідженню нової конструкції споруди для акумулювання і очистки ПЗС з території заводу (рис.3).
Метою теоретичних і лабораторних досліджень є розробка метода розрахунку гідроциклона - відстійника, визначення необхідних параметрів і розрахунок споруди на затримання часток завислих речовин певної гідравлічної крупності. При цьому параметри, які необхідні для розрахунків (коефіцієнт дифузії, термін відстоювання), визначали за допомогою гідравлічних досліджень моделі цієї споруди діаметром 0,8 м (рис.4).
Для розрахунків у якості вихідного використано рівняння переносу концентрації твердої фази.
де С – концентрація завислих речовин;
xi- координати;
Vi- складові швидкості потоку в напрямах координатних осей;
D - коефіцієнт дифузії;
U - гідравлічна крупність часток;
При використанні цього рівняння для розрахунку споруд тонкошарового типу звичайно приймають, що вертикальні швидкості дорівнюють нулю, а горизонтальні швидкості в точках, розташованих на одній вертикалі, постійні. Крім того, вважаючи градієнти концентрації в горизонтальному напрямку малими в порівнянні з градієнтами по вертикалі, нехтують дифузією в горизонтальному напрямі. Якщо при цьому припустити постійність коефіцієнта дифузії, то рівняння (7) матиме вигляд:
Приймаємо як початкову умову
 ,
ось z направлено донизу.
а як граничну умову
 .
Залишковий вміст завислих речовин на момент часу t визначається кількістю часток, які знаходяться вище дна відстійника (z=h).
Для переходу до безрозмірних координат введемо такі масштаби і позначення:
Рівняння (8) приводиться до виду:
з початковими умовами
 ,
та граничними умовами
 .
Рішення рівняння (9) має вид:
 .
де ξ - безрозмірна вертикальна координата.
Інтегруючи отримане значення в межах від 0 до 1, маємо середнє значення концентрації завислих часток в стовпі рідини на виході із відстійника:
Для практичного використання цього методу складено таблиці середніх значень концентрацій  в залежності від  і  .
Оскільки в практиці можуть зустрітися значення  і  , які виходять за межі таблиць, а вираз (10) для розрахунків практично неприйнятний, наведемо його в видозміненому вигляді:
Вираз (12) позбавлений громіздких невласних інтегралів, які можна вирахувати тільки числовими методами, і містить тільки табличні функції.
Для отримання необхідних параметрів проведено лабораторні дослідження на фрагменті гідроциклона-відстійника (рис 4.).
Запропонований метод розрахунку був використаний для визначення розмірів і концентрації часток, які затримуються в гідроциклоні-відстійнику.
П’ятий розділ містить технічні рішення та рекомендації, спрямовані на удосконалення систем водопостачання переробних та міні-заводів чорної металургії, які полягають у переводі на повністю замкнене чи близьке до нього оборотне водопостачання.
Зокрема, технічні рішення і рекомендації розроблені для Молдавського металургійного заводу (ММЗ) та Волгоградського металургійного заводу “Красный Октябрь” (м. Волгоград). Для ММЗ розроблені технічні рішення, спрямовані на створення замкнутої системи водопостачання, яка виключає скид промислових стічних вод у міську каналізаційну мережу, дозволяє звести до мінімуму, тобто до величини неминучих втрат (2,0-2,5% від загальної кількості води, яка циркулює у системі оборотного водопостачання заводу) забір свіжої води з природних джерел за рахунок використання ПЗС з території підприємства, а також води від регенерації натрій-катіонітових фільтрів (рис.5).
Для заводу “Красный Октябрь” розроблено та науково обґрунтовано систему технічних заходів щодо запобігання скиду стічних вод у р. Волгу у кількості, що перевищує 1600 м3/год.
Визначено сферу використання розроблених технічних рішень. Встановлено, що вони можуть бути використані на подібних підприємствах металургійного та машинобудівного комплексів України. Ці технічні рішення використані в галузевих нормах технологічного проектування водного господарства металургійних підприємств України (том 12 і том 14).
Економічна ефективність переводу заводу на замкнену схему водопостачання зумовлюється заощадженням коштів на оплату збору за забруднення навколишнього природного середовища скидами стічних вод і коштів на оплату збору за спеціальне водокористування. Розрахунковий економічний ефект від використання розроблених технічних рішень для одного підприємства на території України складає від 522 до 1450 тисяч гривень за рік в залежності від місця розташування об’єкта.
| 
