ЖАКУПОВ КАЙРАТ ТЛЕУГАЗИНОВИЧ

УДК  502.55:661.631.001.57:658.567                                      На правах рукописи

 

 

 

 

 

 

ЖАКУПОВ  КАЙРАТ  ТЛЕУГАЗИНОВИЧ

 

 

 

 

Очистка и утилизация печного  газа  фосфорного производства

 

 

25.00.36 - Геоэкология

 

 

 

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата  технических наук

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Республика Казахстан

Алматы, 2010

 

Работа выполнена в Республиканском государственном предприятии «Казахский Национальный технический университет имени К.И. Сатпаева»

 

Научный руководитель:    

доктор технических наук,   профессор   Тлебаев М.Б.

Официальные оппоненты:

 

доктор технических наук,   профессор Жараспаев М.Т.

 

кандидат технических наук,       Кутжанова А.Н.

 

 

Ведущая организация:

 

Таразский государственный университет имени. М.Х.Дулати

 

 

Защита состоится 12 марта 2010 года в 16 часов на заседании диссертационного совета Д 14.15.07 при Казахском Национальном техническом университете имени К.И. Сатпаева по адресу: 050013, г. Алматы, ул. Сатпаева, 22, нефтяной корпус, аудитория 813.

 

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казахского Национального технического университета имени К.И.. Сатпаева, а также на вэб сайте по адресу www.kazntu.kz.

 

 

Автореферат разослан 09 февраля 2010 г.

 

 

 

 

 

 

 

 

Ученый секретарь

диссертационного совета,

доктор технических наук,

профессор                                                                  Шейх-Али Д.М.


ВВЕДЕНИЕ

 


         Актуальность работы. В Жамбылской области, объединив родственные ему предприятия, ТОО "Казфосфат" вышел на второе место в стране по темпам роста товарной продукции среди предприятий горно-металлургического комплекса и химической промышленности. Сегодня компания производит больше половины всей химической продукции республики и продолжает набирать обороты.

Однако, большие объемы перерабатываемого фосфатного сырья, относительно низкого качества, и несовершенство существующей технологии приводят к выбросу в атмосферу значительных объемов загрязняющих веществ. Так, только в Жамбылском филиале ТОО «Казфосфат-НДФЗ» при производстве 110,0 тыс. тонн желтого фосфора в год выбрасывается  в атмосферу 6354,48 т вредных веществ, в т.ч. газообразных- 4969,36 т/год, твердых- 1385,12 т/год. Удельный выход печного газа составляет на фосфорных предприятиях 2800...3000 м3 на 1 т фосфора.

Печной газ содержит до  90...95  процентов оксида углерода и других горючих компонентов, которые сжигаются на «свече». В результате сжигания отходящих газов на «свечах» безвозвратно теряется около 3-6 ГДж тепловой энергии, что эквивалентно 125...140 тыс. т услов­ного топлива. Т.е.  расходуется до 300 млн. м3 печного газа, способного заменить до 100 млн. м3 природного газа.

Утилизация печного газа необходима и с экологической точки зрения, так как он является постоянным источником загрязнения. Соединения фосфора, фтора, серы загрязняют поверхность земли, поверхностные стоки и частично фильтруются в водоносные горизонты. Создается угроза загрязнения подземных вод питьевого назначения и опасность накопления токсичных соединений в продуктах сельского хозяйства.

В диссертационной работе разработан эффективный способ очистки с целью утилизации печного газа при  производстве  желтого фосфора. Суть его состоит  в использовании предварительно очищенного печного газа взамен природного. Это природоохранное мероприятие обернется мощным экономическим эффектом, сбережет немало топлива и энергии и позволит получить различные химические соединения. Программное обеспечение расчета пенного аппарата методом хемосорбции, базирующейся на построенной математической модели, обеспечивает расчет конструкционных параметров печного аппарата и проверку режимных характеристик новой природоохранной технологической линии.

Таким образом, очистка и утилизация печного газа на фосфорных заводах позволит не только снизить выбросы печных газов в атмосферу и существенно улучшить экологическое состояние окружающей среды фосфорных заводов, но и позво­лит рекуперировать от 10 до 25 процентов энергии, затрачиваемой в производстве фосфора. 

 

Основная идея работы – научно обосновать осуществление комплекса природоохранных мероприятий по утилизации выбросов производства фосфора, на базе проведения мониторинга, расчетов по очистке печного газа от токсичных компонентов в пенном аппарате методом хемосорбции  и  разработки технологии ее  утилизации.

Цель работы – моделирование процесса  очистки печного газа  фосфорного производства от токсичных компонентов в пенном аппарате  методом хемосорбции с целью разработки  технологии  ее утилизации.

В соответствии с поставленной целью определены следующие задачи:

-         разработка новых природоохранных технологических решений, направленных на очистку и утилизацию выбрасываемых газов производства фосфора;

-         разработка математической модели процесса очистки печного газа от токсичных компонентов   в пенном аппарате методом хемосорбции при производстве фосфора;

-         разработка алгоритма расчета процесса хемосорбции токсичных газов в пенном аппарате;

-         разработка технологии утилизации печного газа вместо природного газа в котлах–утилизаторах;  

-         расчет эколого-экономической эффективности природоохранной технологии утилизации печного газа в производстве фосфора;

-         разработка экологического мониторинга загрязнения атмосферного воздуха в северо-западной зоне  расположения  фосфорных предприятий в г. Тараз.

Объект и предмет исследования.  Объектом исследования являются выбросы печного газа фосфорных предприятий  промышленной зоны г. Тараз. Предметом исследования является состав компонентов печного газа, его очистка от токсичных компонентов в пенном аппарате с последующим использованием его  вместо природного газа.

Научная новизна состоит в разработке  природоохранной технологии утилизации печного газа  производства фосфора и заключается в том, что:

-     разработана математическая  модель процесса очистки газа в пенном аппарате методом хемосорбции, позволяющая определять чистоту  печного газа от токсичных компонентов;

-     проведено  моделирование   процесса  хемосорбции  по высоте колонны пенного аппарата,  позволившее  выявить  оптимальные режимные характеристики  для получения печного газа с предельно допустимой концентрацией  токсичных компонентов;

-     выбраны методики обработки показателей качества атмосферного воздуха и определения экологичности  объектов,  позволяющие получить точные данные для расчета  экологического мониторинга техногенной зоны.

         Методы исследования. В диссертационной работе использованы методы системного анализа, математического моделирования, хемосорбции, теории экологического мониторинга и эколого-экономического анализа. 

         Личный вклад автора заключается в расширении  области применения математических моделей для   расчета процессов очистки от токсичных компонентов печного газа  производства фосфора, а также в предлагаемой природоохранной системе очистки и утилизации печного газа производства желтого фосфора. 

         Связь данной работы с другими научно-исследовательскими работами. Работа выполнялась по программе рисковых тем МОН РК в  2006г. «Разработка технологии получения углеродных нановолокон, нанотрубок путем каталитического пиролиза метана», по программе развития нанонауки и нанотехнологии в Республики Казахстан на 2007-2009гг». МОН РК -  получение углеродных нановолокон и нанотрубок из  печного газа производства фосфора, т.е.  оксида углерода, получаемого в большом количестве после его  очищения от токсичных компонентов  в пенном аппарате и  в  соответствии  с тематическими планами НИР Казахского Национального технического университета имени К. И. Сатпаева  в период с  2004 по 2009 гг.

         Практическая ценность. На примере ЖФ ТОО «Казфосфат- НДФЗ» по предлагаемой модели в полном объеме выполнены расчеты, обосновывающие экономическую целесообразность привлечения инвестиций для внедрения предлагаемых новых экологически более чистых технологий и новых конструкций экологического оборудования.

         Составлены и утверждены технологические условия и практические рекомендации по всем разработанным технологиям. Ожидаемый эффект от внедрения технологии утилизации печных газов составит 967 млн. тенге в год.

         Отдельные разделы диссертационной работы  внедрены в учебный процесс Казахского Национального технического университета имени К.И. Сатпаева.  

         На защиту выносятся:

-     совокупность алгоритмических и программных средств для расчета процесса очистки от токсичных компонентов печного газа, методом хемосорбции в производстве фосфора;

-         комплекс методик по расчету эколого-экономического обоснования  природоохранных мероприятий;

-         новое принципиальное технологическое природоохранное решение  утилизации  печного  газа в котлах–утилизаторах;

-         система мониторинга выбросов техногенной зоны  расположения  фосфорных производств.

         Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций основывается на корректном использовании принципов геоэкологии, методов математического моделирования, системного и статистического анализов, а также на внедрении разработанных рекомендаций и свидетельства о государственной регистрации объекта интеллектуальной собственности №064 от 21 февраля 2008 г.

         Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на международной научно-практической конференции «Индустриально-инновационное развитие – основа устойчивой экономики Казахстана» (Шымкент, 2006 г.), на международной научно-практической конференции  «Актуальные проблемы» (Тараз, 2007 г.), на IV Международной научно-технической конференции «Прогрессивные технологии в современном машиностроении», (Пенза,  2008г.).

         Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 научных публикаций, в том числе 3 в журналах рекомендованных Комитетом по надзору и аттестации в сфере образования и науки и 5 в международных научных конференциях.

         Структура  и объем  диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения и приложений, список использованных источников включает 134 наименований. Работа изложена на 148 страницах текста компьютерного набора, содержит 11 таблиц и 21 рисунок.

 

 

 

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

 

В первом разделе  «Современное состояние проблемы. Постановка задачи» рассматривается развитие и состояние фосфорного производства, дается оценка влияния  выбросов печного газа  на экологическую ситуацию в промышленной зоне г.Тараз. Установлено, что наиболее вредными компонентами печного газа являются, фосфин, соединения фтора и фосфорный ангидрид

Проведен литературный обзор по обезвреживанию отходов возгонки фосфора  в массообменных аппаратах. Литературный обзор показал, что использование   труб Вентури в аппаратурном оформлении существующих схем санитарной очистки газов нецелесообразно. Контактная ступень со стабилизацией пенного слоя имеет такие же геометрические параметры и скоростные характеристики в реакционном объеме аппарата, что и ступени со взвешенной насадкой, но  только более просты в конструкции и эксплуатации.  В таком случае, считаем наиболее целесообразным в дальнейшем применение пенных аппаратов со стабилизированным пенным слоем.

Обоснован анализ перехода фосфорных производств  на новые энергосберегающие технологии, которые решают задачи снижения воздействия антропогенной деятельности на окружающую среду.

 

Во втором разделе «Экологическое прогнозирование загрязнения промышленной зоны выбросами производства фосфора»  рассматривается вклад предприятий в загрязнение  атмосферы города Тараз и описывается реализация экологического мониторинга промышленной зоны.

В данной работе расчёт загрязнения атмосферы выбросами предприятий  основан на  методике  определения концентрации вредных веществ в приземном слое воздуха. Наибольшая концентрация каждого вредного вещества См (мг/м3) в приземном слое атмосферы не должна превышать максимальной разовой предельно допустимой концентрации данного вредного вещества в атмосферном воздухе (ПДК), установленной санитарными нормами проектирования промышленных предприятий.

На основе системного  анализа  была выбрана следующая схема расчета показателей токсичности отходов предприятия, степени его экологичности и уровня воздействия на окружающую среду.

Индекс относительной токсичности рассчитывается по формуле:

,                                                                                                      (1)

где ПДК1 и ПДКi –предельно допустимые концентрации вещества, принятого за эталон и сравнительная соответственно.

Относительная токсичная масса выбросов определяется с учетом объема:

mi=IiVi ,    mk=IkVk ,     mn=InVn,                                                                                                                                  (2)

Относительная экологичность объекта определяется по формуле:

                                                                                         (3)

Очевидно, что при А®0 процесс полностью экологичен.

Полный расчет экологических параметров предприятия состоит из следующих этапов:

1.     Исходных данные ПДК1, ПДКi, Сi, Мс, Мр, Мп,, m(A), m(П), m(Г), m(Л).

2.     По этим данным рассчитываются (I0), (Ii), (Ik), (In) и  М0.

3.     Расчет  Iоб с учетом экспериментальных  коэффициентов a и b.

4.     На следующем этапе проверяется сходимость условия .

5.     При выполнении условия рассчитывается А, в противном случае происходит изменение  входных данных.

6.      Радиус зоны влияния приближенно оценивается как наибольшее из значений двух расстояний Х1 и Х2, где Х1 - расстояние, на котором концентрация выброса Сi £ 0,03 Сmax, а Х2 – расстояние от источника, на котором ПДКi=0,05 ПДК1.

Программное обеспечение представляет систему экологического мониторинга деятельности предприятий фосфорной промышленности. Внешний вид экрана при выполнении программы приведен на рисунке 1.

Программа производит все необходимые расчеты по введенным данным и осуществляет наглядное отображение зон загрязнения на экране монитора:   красный - зона повышенного загрязнения, желтый - зона с уровнем загрязнения в допустимых пределах, и зеленый - зона с минимальным загрязнением.  Критерием выбора цвета служит параметр А и  индекс Iоб.  Разработанный программный продукт  позволяет прогнозировать  экологическую ситуацию при изменении различных внешних факторов.

Рисунок 1 – Внешний экран программы

экологического мониторинга.

В третьем разделе «Ресурсосберегающая технология утилизации печного газа» предлагается новая  природоохранная технологическая схема утилизации печного газа приведенная на рисунке 2.   

5

 

4

 

3

 

2

 

1

 

 

1- аппараты очистки и конденсации, 2- пенный аппарат, 3- утилизационная ТЭЦ, 4- установка очистки продуктов сгорания, 5- вытяжной насос

Рисунок 2 - Схема очистки и утилизации печного газа

Освобожденный от фосфора печной газ, основными компонентами которого являются оксид углерода и азот, поступает из верхней части “холодных” конденсаторов в газоход. Из газохода печной газ через заслонку с пневмоприводом, управляемую с пульта управления печи вручную или  в автоматическом режиме поступает на очистку в пенный аппарат, а затем в утилизационную ТЭЦ, где вырабатывается электроэнергия, горячая вода,  пар и т.д., возвращаемые в производство фосфора.

Очистка печного газа от фосфора, фосфина, сероводорода и оксидов фосфора в пенном аппарате осуществляется методом абсорбции вредных компонентов растворами химически активных по отношению к ним реагентов (хемосорбция).

Исходными  данными для расчета являются: состав печного газа: CO - 80%;  CO2 – 9,5%;  H2 6,0%;  H2O – 1,5%;  P4 – 2,0 г/м3; HF – 0,94 г/м3;   PH3 – 0,1%;   SO2 – 0,5%;  P2O5 – 2,2%. Уд.вес газа – 1,24 кг/м3. Активный раствор хемосорбента – 2-5% водный раствор Na2CO3. ПДК:  HF – 0,05 мг/м3;   SO2 – 0,5 мг/м3;  P2O5 – 0,15 мг/м3.

Процесс совмещения абсорбции и химической реакции на сетчатой тарелке пенного аппарата происходит  по формулам  (4-8):

 

Na2 CO3 + 2 HF ® NaF + H2 O + CO2                                                                                                        (4)

2Na2 CO3 + P2O5  + H2 O ® 2NaHPO4  +2CO2                                                                                    (5)

2Na2 CO3 + 2SO2 +  O2  ® Na2 SO3 + CO2                                                                                               (6)

Na2CO3 + H2S ® NaHS + NaHS + NaHCO3                                                                                           (7)

Na2 CO3  + CO2 + H2 O ® 2NaHCO3                                                                                                                             (8)

 

Расчет ведется до  достижения концентрации указанных газов до пределов ниже их соответствующего ПДК по каждому компоненту отдельно.

В результате расчета получено, что для практически полной очистки печного газа от фтористого водорода достаточно пяти ступеней очистки при заданных условиях, от фосфорного ангидрида достаточно семи, от сернистого ангидрида достаточно девяти. 

Покомпонентный и общий расчет необходимого количества Na2CO3 и H2O  на 1 тн.  составило : для фтористого водорода составило ХHF = 6,975 кг., для фосфорного ангидрида ХP2O5=32,188 кг, для сернистого ангидрида ХSO2=16,231 кг. Общее количество Na2CO3, необходимое для достижения целей данного технологического процесса очистки с учетом поправочного коэффициента составляет 66,5кг на 1 тн. фосфора.

Определение необходимого количества воды для приготовления 2-5% водного раствора Na2CO3: для 2%  - 3257 кг, для 3% - 2 149 кг, для 4% - 1 595 кг, для 5% - 1263 кг воды.

Расчет удельного расхода электроэнергии по новой предлагаемой технологической схеме показывает его снижение и возможность получения ожидаемого экономического эффекта на сумму двести двадцать один миллион тенге.

При этом расчет количества тепловой энергии технологической схемы по утилизации печного газа проводится  по формуле:

,                                                                       (9)

где Р- объем производства желтого фосфора в течение года т/г; hк.у- к.п.д. котла утилизатора для использования печного газа (в расчетах принято h=0,8).

Экономия топлива за счет использования печного газа определялась по формуле:

, тыс. т.у.т/г,                                                            (10)

        где hnЭm- к.п.д. топливо использующего агрегата при работе на горючих ПЭР; hТ- к.п.д. того же агрегата при работе на первичном топливе.

Таким образом, применение новой ресурсосберегающей  технологии позволит не только предотвращать выбросы печных газов производства фосфора, но и получить экономический эффект и что самое важное - утилизировать газовые выбросы и значительно улучшить  окружающую среду.

         В четвертом разделе «Моделирование процесса очистки газов от токсичных компонентов в пенном аппарате» приводится математическое описание очистки газа хемосорбцией в пенных аппаратах, которое   включает:

- уравнение общего материального баланса тарелки:

Vi - V i-1= L i+1 - L i                                                                                           (11)

- уравнение покомпонентного баланса тарелки:

Vi Y i,j - V ­i-1 Y i-1,j = L i+1 X i+1,j - L i X i,j                                                                             (12)

-уравнение теплового баланса тарелки:

Vi Y i,j H i - V i-1 Y i-1,j H i-1  = L i+1 X i+1,j h i+1 - L i X i,j h i,                                                            (13)

   где X j, Y j- концентрация j-го компонента в жидкой и газовой фазах; H i  и h i- удельная энтальпия газового и жидкого потоков; L, V- потоки жидкости и пара.

-уравнение общего покомпонентного баланса пенного аппарата:

                                                              (14)

-уравнение общего теплового баланса:

,                                                    (15)

    где , - потоки питания по пару и жидкости; , -потоки отбора по пару и жидкости.

Алгоритм расчета колонны состоит в следующем:

1.   Задаются исходные данные (число тарелок колонны, число  компонентов, физико-химические свойства компонентов).

2.   Рассчитываются начальные профили концентрации в жидкой  фазе, потоки пара и жидкости по высоте колонны.

3.   Рассчитываются концентрации компонентов  до пределов ниже их соответствующего ПДК, коэффициенты трехдиагональной матрицы, системы уравнений материального баланса.

4.   Рассчитываются новые составы потоков пара и  жидкости по высоте колонн путем решения системы уравнений.

5.   Определяются равновесные состав и температура для каждой тарелки по уравнениям.

6.   Пункты 3-5 повторяются при вновь вычисленных профилях концентрации в жидкой фазе до тех пор, пока не будет обеспечено равенство суммы концентрации единице на всех тарелках при заданной точности, которая приводится к тридиагональному виду и решается сначала методом релаксации, а потом для ускорения сходимости методом Ньютона-Рафсона.

При расчете по алгоритму были приняты во внимание: выход печного газа (для одной печи) из системы конденсации составляет Vуд 1960 кг (2800 м3) на 1 т Р4 при теплоте сгорания g=2600 ккал/кг. Температура печного газа 4000С, удельный вес d=1,24 кг/м2.

Фактическая концентрация вредных компонентов на входе в пенный аппарат в отходящем газе составляла: 80% по содержанию СО, 9,5%- СО2, 6%- Н2; 1,5%- Н2О; 2,0 г/м3- Р4; 0,94 г/м3- HF; 0,1%- РН3; 0,5%-SO2; 2,2%-P2O5.

Процесс очистки печного газа в пенном аппарате методом хемосорбции рассчитывали для трех бинарных смесей: оксид углерода – фосфорные соединения;  оксид углерода – фтористые соединения   и оксид углерода – сернистые соединения.

Профиль концентрации токсичных компонентов печного газа по высоте колонны приведен на рисунке 3.

 

                         

 

Рисунок 3, 4  - Изменения концентрации токсичных компонентов печного газа по высоте колонны  и   в полулогарифмических координатах

 

Характер расположения кривых зависимостей концентрации токсичных компонентов печного газа при его очистке от номера полки в полулогарифмических координатах приведенные на рисунке 4 подтверждают сделанные выше выводы и показывают довольно хорошую сходимость результатов с достаточной степенью достоверности.

Анализ результатов расчетов по математической модели показал, что эффективность очистки от вредных  токсичных  компонентов составила:  по  фтористым водороду  – от 87,97 до 94,7 (средняя- 92, 17 %); по фосфорному ангидриду - от 79, 4% до 92,7 % (средняя – 91,2%); по сернистым  соединениям от 70,3%,  до 91,6% (средняя -81,7%).

В пятом разделе «Расчет эколого-экономической эффективности ресурсосберегающей технологии утилизации печного газа» расчет  определения экономической оценки ущерба от загрязнения атмосферного воздуха от печного газа фосфорного производства сверхустановленных нормативов определили по следующему соотношению:

 

Ui = (Cфакт i-Cнорм i) x3600/1 000 000 x Ai x T x Cвыб x10 x K1 x K2,                                    (16)

 

Расчет   вели   по каждому компоненту печного газа: по оксиду углерода (СО),  углекислого газа (СО2), по   фосфорному ангидриду (Р2О5 ), по фтористому водорода  (HF), по  фосфину (PH3), по сернистому  газу (SO2).

Суммируя экономический ущерб по основным компонентам печного газа получаем, что  экономическая оценка ущерба от загрязнения  атмосферного воздуха  выбросами фосфорного производства   составляет 114 070 920 тенге за год:  Uп.г.= Uco+Uco2+UР2О5+UHF+UPH3+USO2  = (40 357 440+ 4 782 240+ 2 216 160+ 50 502 120+ 10 497 600+ 5 715 360)=114 070 920 тенге/год.

В таблице 1 показано, что в случае  увеличения загрязнения окружающей среды плата за сверхнормативные выбросы прямо пропорциональна увеличению фактических выбросов.

 

Таблица 1 - Выплаты  за сверхлимитные  выбросы в атмосферу  от негативных  компонентов печного газа фосфорного производства ( в текущих ценах 2008 г, тенге)

 

 

Фактический выброс т. м3

Наиме-нование

компонента

2 900

4 000

5 000

6 000

CO

40  357 440

484 289 280

887 863 680

1 291 438 000

CO2

4 782 240

57 561 840

105 430 896

153 358 272

P2O5

2 216 160

266 405 760

488 255 040

710 570 880

HF

50 502 120

6 053 616 000

11 099 462 400

16 142 976 000

PH3

10  497 600

1 213 056 000

2 216 160 000

3 242 592 000

SO2

5 715 360

60 652 800

110 808 000

161 429 760

Всего:

114 070 920

8 135 581 680

14 907 980 016

21 702 364 912

 

При сравнении  результатов расчетов по базовой и природоохранной технологии утилизации печного газа, получено сокращение выбросов в окружающую среду токсичных компонентов. Валовые выбросы ингредиентов по базовой и природоохранной  технологиям  приведены в таблице 2.

 

Таблица 2 - Расчетные валовые количества выбросов печного газа фосфорного производства (по компонентам) в атмосферу

 

Компоненты

Валовые количества выбросов, т/год

нормативные

фактические

после очистки

1

2

3

4

CO

198 709,6

205 806,4

205 806,4

CO2

23 596,7

24 440

24 440

1

2

3

4

P2O5

5 464,5

5 660

0, 00319

HF

12 419,3

12 863

0, 00051

PH3

496,7

514,5

514,5

SO2

1 242

1 286,3

0, 00765

прочие

6 458

6 688

6 688

Всего

248 387

257 258

237 449

 

Эколого-экономическая эффективность от  внедрения  данной технологической  схемы утилизации печного газа фосфорного  производства определяется с учетом капитальных и текущих затрат на охрану окружающей среды и величины предотвращенного ущерба, достигаемого при внедрении соответствующего мероприятия.

       Из расчета валового количества  выбросов печного газа фосфорного производства (по компонентам) в атмосферу, приведенные в  таблице 2 следует, что годовой экологический ущерб составляет 257 258 т/год, следовательно, экономическая оценка ущерба составляет 114 071 тыс. тенге. Применение предлагаемой технологии сокращает экологический ущерб выбросов печного газа фосфорного производства по компонентам. В таблице 3 показано, что данная технология позволяет сократить долю токсичных газов, а именно фосфорного ангидрида (Р2О5 ) до 5 659, 9т/год, фтористого водорода  (HF)- 12 862,9т/год, сернистого газа(SO2)-1286,2т/год.

 

Таблица 3 - Расчет фактического эколого- экономического эффекта от использования технологии утилизации  печного газа фосфорного производства

 

Наименование показателей

Обоз-начения

Ед. измерения

Показатели вариантов

базового

нового

1. Годовой экономический ущерб  нархозу

 

У

тыс.тенге

 

114 071

 

55 639,3

2.  Затраты на строительство природоохранных объектов

 

Кн

тыс.тенге

 

-

 

402 357,6

3. Нормативный коэффициент экономической эффективности

 

Ен

-

 

0,12

 

0,12

4. Эколого- экономический эффект

Э

тыс.тенге

-

106 715

 

Э = 114 071- 55 639,3+ 0,12 х 402 357,6 = 106 715 тыс. тенге в ценах 2008 г.

 

      Экономия природного газа в стоимостном выражении составляет 1 370 000 тыс. тенге/ год (100 млн. х 13,7), где: 13,7- цена 1  м3  природного газа. Внедрение данного способа производства электрической и тепловой энергии требует затраты в размере  402 357 675,5  тенге/ год. Чистая прибыль от данного производства составляет 967 642 324,5   тенге/ год. Автором совместно с специалистами ТОО «Казфосфат –НДФЗ» были проведены соответствующие расчеты для годового объема фосфорного производства 110,0 тыс. тонн. Полученные результаты расчетов в разбивке по различным статьям  расходов и экономии представлены в диссертационной работе в приложении Ж  «Расчет ожидаемого экономического эффекта от утилизации выбросов печного газа фосфорного производства для производства электроэнергии и обеспечения горячей водой».  

Таким образом, сверхлимитные выбросы производства приносят огромный ущерб окружающей среде и предприятию выгоднее работать, соблюдая экологические требования путем  внедрения природоохранных  мероприятий и получать при этом прибыль.   

 

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

       Основные научные и практические результаты работы  состоят  в следующем: 

       1. Разработана ресурсосберегающая технология, включающая комплексную очистку печного газа от токсичных компонентов в пенном аппарате с последующим сжиганием в котлах-утилизаторах ТЭЦ. Реализация этой новой технологии способствует улучшению условий эксплуатации и обеспечит: экономию энергоресурсов; сокращение вредных выбросов в атмосферу. В ТОО «Казфосфат» составлены и утверждены технологические условия и практические рекомендации по  разработанной технологии. Ожидаемый эффект от внедрения технологии утилизации печных газов составляет 967 млн. тенге в год.

2. Разработана математическая  модель процесса очистки газа в пенном аппарате методом хемосорбции,  позволяющая воспроизводить особенности совмещенного процесса абсорбции и химической реакции на ситчатой тарелке с подпором пены.

         3. Результаты моделирования   процесса  хемосорбции  по высоте колонны пенного аппарата,  позволили  выявить  оптимальные режимные характеристики  для получения печного газа с предельно допустимой концентрацией  токсичных компонентов по каждому ингредиенту. Эффективность очистки от вредных  токсичных  компонентов составила:  по  фтористым соединениям  от 87,97 до 94,7; по фосфорному ангидриду - от 79, 4% до 92,7 %; по сернистым  соединениям от 70,3%, до 91,6%;

         4. Было определено, что для полной очистки печного газа от токсичных компонентов необходимо и достаточно девяти ступеней очистки, т.е. девяти контактных тарелок. Общее количество Na2CO3 для достижения целей процесса составило  66,5 кг на 1 тн фосфора. Количество же  H2O для приготовления 2-5% раствора Na2CO3 колеблется в зависимости от концентрации раствора в пределах 3 257-1 263 кг.

5. Разработан программный комплекс расчета экологических параметров предприятия. Расчеты  с помощью программы удовлетворительно согласуются с натурными исследованиями, проведенными на объектах вокруг фосфорных заводов.

6. На основе системного анализа разработана методика   взаимодействия предприятия с окружающей средой, которая  позволяет прогнозировать экологическую ситуацию при изменении различных внешних факторов. Построена экологическая карта загрязнения промышленной зоны г. Тараз.

7. Проведена экономическая оценка ущерба от загрязнения атмосферного воздуха  печным  газом фосфорного производства для сверхустановленных нормативов, которая составила Uп.г.= Uco+Uco2+UР2О5+UHF+UPH3+USO2  =(40 357 440+ 4 782 240+ 2 216 160+ 50 502 120+ 10 497 600+ 5 715 360) = 114 070 920 тенге/год

Оценка полноты решения поставленных задач. Поставленная цель работы достигнута  и задачи исследований решены. Результаты исследований доведены до внедрения, что подтверждает достоверность основных положений и выводов. 

         Разработка рекомендаций и исходных данных по использованию результатов. Для использования результатов исследований предложена методика  расчета экологических  параметров предприятия, позволяющая  прогнозировать экологическую ситуацию  вокруг фосфорных предприятий. Разработан программный комплекс, подтвержденный натурными исследованиями. Построена карта загрязнения промышленной зоны г.Тараз. Разработана математическая модель очистки печного газа от токсичных компонентов в пенном аппарате методом хемосорбции.  Предложена ресурсосберегающая технология утилизации печного газа. Они могут быть использованы инженерно-техническими работниками проектных организаций и комитета по охране окружающей среды в регионе.

         Оценка технико-экономической эффективности внедрения. На основании результатов  научных исследований разработанная методика и программный комплекс расчета экологических параметров предприятий принята производственным отделом ЖФ ТОО «Казфосфат - НДФЗ» для использования  при определении концентрации компонентов (фтористых, фосфорных и сернистых соединений)  в выбросах печного газа и построение карты загрязнения. Отдельные результаты и рекомендации диссертационной работы по  природоохранной технологии очистки печного газа и сжигания его в качестве природного газа, а также при получении углеродных  нановолокон и нанотрубок  уже используются в разрабатываемом проекте «Утилизация печного газа » в ЖФ ТОО «Казфосфат - НДФЗ». Ожидаемый  экономический эффект  составит 967 642 324,5   тенге/ год. «Расчет ожидаемого экономического эффекта от утилизации выбросов печного газа фосфорного производства для производства электроэнергии и обеспечения горячей водой» представлен в приложении  Ж  диссертации.

         Оценка научного уровня выполненной работы в сравнении с другими достижениями в этой области. Проведенный обзор имеющейся литературы и акт внедрения выполненной работы, позволяют сделать вывод о том, что диссертационная работа соответствует современному научно-техническому уровню. Подобные работы, направленные на очистку печного газа от токсичных компонентов и использования оксида углерода для сжигания в качестве природного  в нашей стране практически отсутствуют.

 

 

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

 

1        Тлебаев М.Б., Жакупов К.Т. Математическое  описание процесса хемосорбции в пенном аппарате// Материалы международной научно-практической конференции «Индустриально-инновационное развитие - основа устойчивой экономики Казахстана». – Шымкент, 2006. – Т.2. – С.121-125.

2        Тлебаев Б.К., Жакупов К.Т., Байжуманов Т.Е. Комплексная переработка бедных шламов и котельной пыли в агломерации и на  гранулированные удобрения// Вестн. ТарГУ им.М.Х.Дулати «Природопользование и проблемы антропосферы». – Тараз, 2006.- №1. – С.72-76.

3        Жакупов К.Т., Байжуманов Т.Е., Тлебаев Б.К. Разработка технологической схемы утилизации печного газа// Вестн. ТарГУ им.М.Х.Дулати. – Тараз, 2006. – №1 – С.58-61.

4        Жакупов К.Т. Экологическое прогнозирование промышленной зоны выбросами производства фосфора// Наука и образование  Южного Казахстана. – Шымкент, 2007. – №2 – Т.2 – С.55-58.

5        Бишимбаев В.К., Тлебаев М.Б., Жакупов К.Т. Системный мониторинг деятельности предприятий фосфорной промышленности //Международная научно-практическая конференция «Научно-теоретические и практические аспекты охраны окружающей среды: проблемы, стратегия и перспективы использования природных ресурсов». – Тараз , 2007. – №4 . – С. 7-11.

6        Жакупов К.Т. Математическая модель загрязнения  территории от  деятельности  предпритяий  фосфорной  промышленности //Международная научно-практическая конференция «Актуальные проблемы». – Тараз: ТарГУ им. М.Х..Дулати, 2007. –  №4 . – С. 136-140.

7        Жакупов К.Т.. Разработка автоматизированного программного средства расчета системы анализа прибыльности природоохранных мероприятий //Международная научно-практическая конференция «Актуальные проблемы». - Тараз: ТарГУ им. М.Х..Дулати, 2007. –  №4 . – С. 141-144.

8        Жакупов К.Т., Байжуманов Т.Е., Есболова А.Е. Расчет эколого-экономической эффективности ресурсосберегающей технологии утилизации печного газа// IV Международная научно-техническая конференция «Прогресивные технологии в современном машиностроении». – Пенза, 2008. – С.78-81.

9        Тлебаев М.Б., Косанов А.О., Жакупов К.Т. Математическая модель расчета  процесса перекачки нефти магистральными нефтепроводами (программа для ЭВМ). Свидетельство о государственной регистрации объекта интеллектуальной собственности № 064  от  21 февраля 2008 г.

10   Жакупов К.Т., Тлебаев М.Б. Расчет процесса очистки печного газа от токсичных компонентов на ситчатой тарелке с подпором пены //Научный журнал министерства образования и науки «Поиск». Сер. естественных и технических наук – Алматы, 2008. №4. – С. 34-41.

 


ЖАКУПОВ ҚАЙРАТ ТЛЕУГАЗИНОВИЧ

 

Фосфор өндірісіндегі пеш газын тазалау және утилизациялау

25. 00. 36 – Геоэкология

 

ТҮЙІНДЕМЕ

 

         Жұмыстың маңыздылығы. Жамбыл облысында "Казфосфат" ЖШС өзіне туыс өнеркәсіптерді біріктіре отырып, мемлекеттегі тау-металлургиялық кешен және химиялық өнідірістегі тауарлық өнімдердің өсу қарқыны бойынша екінші орынға көтерілді. Қазіргі таңда компания республикадағы химиялық өнімдердің жартысынан көбін өндіреді және қарқынын күшейтуде.

         Жұмыс мақсаты - фосфор өндірісіндегі пеш газын көбік аппаратында хемосорбция әдісімен пеш-утилизаторда жағу үшін тазалау үрдісінің математикалық моделі.

         Қойылған мақсатқа сай келесі міндеттер анықталған:

-         фосфор өндірісіндегі тасталынатын газдарды тазалауға және утилизациялауға бағытталған жаңа табиғатты қорғаудың технологиялық шешімін жасау;

-         фосфор өндірісіндегі көбік аппаратында пеш газын токсикалық компоненттерден хемосорбция әдісімен тазалаудың математикалық моделін жасау;

-         көбік аппаратында токсикалық газдардың хемосорбция үрдісін есептеу алгоритмін құру;

-         фосфор өндірісіндегі пеш газының утилизациясының табиғатты қорғау технологиясының эколого-экономикалық әсерлігін есептеу;

-         Тараз қ. фосфор өнеркәсіптерінің орналасуының солтүстік-батыс зонасында атмосфералық ауаның ластануының экологиялық мониторингін жасау.

Жұмыстың негізгі идеясы-мониторинг ұйымдастырудың пеш газын көбік аппаратында хемосорбция әдісімен есептеу, математикалық модельдеудің нәтижесін, фосфор өндірісінде қалдықтарды утилизациялау бойынша табиғатты қорғау іс-шараларының комплексін жүзеге асыруды негіздеу бойынша есептеу ұстанымдарын комплекстік әдіске біріктіру.

Зерттеу обьектісі. Зерттеу обьектісі Тараз қаласының өндірістік аумағының фосфор өндірісіндегі пеш газының компоненттерінің құрамы, оны көпіршік апаратында улы компоненттерден тазалау болып табылады.

Ғылыми жаңалық фосфор өндірісіндегі пеш газының утилизациясының табиғатты қорғау технологиясын жасау болып табылады және декелесі мәселелерді шешуді қарастырған:

-     пеш газының токсикалық компонентерден тазалығын анықтауға мүмкіндік беретін газдын көбік аппаратында тазалау үрдісінің матиматикалық моделі жасалынғанында;

-     токсикалық компоненттердің жеткілікті концентрациясымен пеш газын алу үшін оптималды режимдік сипаттамаларын шығаруға мүмкіндік беретін көбік аппаратының колонналарының биіктігі бойынша хемосорбция үрдісінің моделі келтірілгендігінде;

-     техногендік аумақтың экологиялық мониторингін есептеу үшін нақты берілгендерді алуға мүмкіндік беретін, атмосфералық ауаның сапасын көрсеткіштігін өңдеу және обьекттің экологиялылығын анықтау әдістемелері таңдалынуында болып табылады.

Тәжірибелік құндылығы. «Казфосфат» ЖШС ТФ мысалында ұсынылған жаңа экологиялық тазарақ технологияларды және экологиялық құрылғылардың жаңа конструкцияларын енгізу үшін инвестицияларды тартудың экономикалық мақсаттылығына негізделген ұсынылған модель бойынша есептеулер орындалған.

Барлық жасалынған технологиялар бойынша технологиялық шартттар және тәжірибелік ұсынылымдар жасалынған. Пештік газды утилизациялау технологиясын ендірудің күтілетін әсері жылына  967,643 млн. теңге құрайды.

 

 


ZHAKUPOV KAIRAT

 

Clearing and recycling oven Gas of phosphoric manufacture

25.00.36 – Geoecology 

 

SUMMARY

 

Urgency of work. In Zhambyl areas, having united related to it of the enterprise, Open Company "Kazphosphat" has left on the second place in the country on rates of growth of a commodity output among the enterprises of a mountain-metallurgical complex and the chemical industry. Today the company makes more half of all chemical production of republic. Also continues to grow.

The purpose of work - Mathematical modeling of process of clearing of oven gas of phosphoric manufacture in the foamy device a  chemisorptions method, for the subsequent burning in waste heat boilers .

According to an object in view following problems are certain:

- development of new nature protection technological decisions;

- directed on clearing and recycling of thrown out gases of manufacture phosphorus;

- development of mathematical model of process of clearing of oven gas from toxic components in the foamy device a chemisorptions method at manufacture of phosphorus;

- development of algorithm of calculation of process chemisorptions toxic gases in the foamy device;

- calculation of ecological and economic efficiency nature protection technologies of recycling of oven gas in manufacture of phosphorus;

- development of ecological monitoring of pollution atmospheric air in a northwest zone of an arrangement of the phosphoric enterprises in Taraz.

The basic idea of work - to unite in a complex technique principles of the organization of monitoring, calculations on clearing oven gas in the foamy device a method хемосорбции, results of mathematical modeling, calculations on a substantiation of realization of a complex of nature protection actions on recycling emissions of manufacture of phosphorus.

Object and object of research. Object of research is emissions of oven gas of manufacture of phosphorus of an industrial zone Taraz. An object of research is the structure of components of oven gas, its clearing of toxic components in the foamy device with its subsequent burning in waste-heat boiler.

Scientific novelty consists in development of nature protection technology of recycling of oven gas of manufacture of phosphorus and consists that:

- the mathematical model of process of clearing of gas in the foamy device by a method chemisorptions is developed, allowing to define cleanliness of oven gas from toxic components;

- modeling process chemisorptions on height is lead columns of the foamy device, allowed to reveal optimum regime characteristics for reception of oven gas with maximum permissible concentration of toxic components;

- techniques of processing of parameters of quality atmospheric are chosen air and definitions of ecological compatibility of the objects, allowing to receive exact data for calculation of ecological monitoring of a technogenic zone.

Practical value. On example Open Company "Kazphosphat" on offered model calculations in full are executed, proving economic feasibility of attraction of investments for introduction of offered purer technologies new ecologically and new designs of the ecological equipment.

Technological conditions and practical recommendations on all developed technologies are made and approved. The expected effect from introduction of technology of recycling of oven gases will make 967, 643 million/tenge a year.


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЖАКУПОВ  КАЙРАТ  ТЛЕУГАЗИНОВИЧ

 

Очистка и утилизация печного  газа  фосфорного производства

 

25.00.36 - Геоэкология

 

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата  технических наук

 

Подписано в печать 01.02.2010 г. Формат бумаги 60х84 1/16.

Бумага “Multilaser”. Печать – RISO.

Гарнитура “Таймс”. Объем 1,0 п.л. Тираж 100 экз.

Заказ N 222. Обложка – Colorit.

 

Отпечатано в типографии “Эрекет-Принт”

050036, г. Алматы, 12 мкр., д. 16, кв. 69

Тел. 221-84-55

 

Вы 705-й посетитель.
Powered by Drupal
Copyright © KazNRTU, 2007-2016