Повышение экологической безопасности производства каустической соды снижением эмиссии ртути в окружающую среду

Мотин, Владислав Владимирович

Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Повышение экологической безопасности производства каустической соды снижением эмиссии ртути в окружающую среду
ВАК РФ 03.00.16, Экология

Автореферат диссертации по теме "Повышение экологической безопасности производства каустической соды снижением эмиссии ртути в окружающую среду"

□ □34а Ю23

На правах рукописи

МОТИН ВЛАДИСЛАВ ВЛАДИМИРОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВА КАУСТИЧЕСКОЙ СОДЫ СНИЖЕНИЕМ ЭМИССИИ РТУТИ В ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ (на примере ОАО «Каустик», г. Стерлитамак)

Специальность 03.00.16 - «Экология»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

л ^ —

Уфа-2009

003481023

Работа выполнена в Уфимском государственном нефтяном техническом университете.

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Лбдрахимов Юнир Рахимович.

Официальные оппоненты: доктор химических наук, профессор

Кантор Евгений Абрамович; кандидат технических наук Шарипов Артур Канифович.

Ведущая организация Самарский государственный технический

университет.

Защита состоится «18» ноября 2009 года в 14-00 на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.289.03 при Уфимском государственном нефтяном техническом университете по адресу: 450062, Республика Башкортостан, г.Уфа, ул.Космонавтов, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уфимского государственного нефтяного технического университета.

Автореферат разослан«!?» октября 2009 года.

Ученый секретарь совета --'

Абдульминев К.Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

Метод производства каустической соды и хлора электролизом рассола поваренной соли с использованием ртутного катода хорошо изучен, технология производства является классической. На современном этапе развития технического прогресса данная технология позволяет выпускать каустическую соду высокой химической чистоты, востребованную рядом промышленных отраслей, включая производства химических волокон, ионообменных смол, реактивов и пр.

Одним из основных недостатков процесса является экологический аспект, связанный с эмиссией высокотоксичной ртути, вещества первого класса опасности, в окружающую среду.

Основным источником эмиссии ртути в окружающую среду являются выбросы вентиляционного воздуха технологических помещений, в которых установлены ртутные электролизеры. С целью обеспечения санитарно-гигиенических норм в воздухе рабочей зоны технологических помещений с электролизерами на практике необходима 10-25-кратная замена воздуха в час. Кроме выделения ртути в воздух рабочей зоны из электролизеров немаловажную роль играет вторичное загрязнение выбросов вентиляционного воздуха ртутью, накопленной на наружных поверхностях зданий, оборудования и прилегающей территории. С вентиляционными выбросами производства каустической соды и хлора ОАО «Каустик» более 150 кг ртути ежегодно попадает в окружающую среду.

В настоящей диссертационной работе решается задача минимизации эмиссии ртути в окружающую среду с вентиляционными выбросами производств каустической соды и хлора методом ртутного электролиза. Исследования направлены на разработку технологического процесса очистки вентиляционного воздуха с использованием реакции окисления металлической ртути хлором.

Цель работы

Разработка технико-технологического решения для снижения эмиссии ртути в окружающую среду от производств каустической соды и хлора на основе исследования реакции окисления ртути хлором.

Указанная цель определила постановку и решение следующих основных задач:

- анализ проблемы эмиссии ртути в окружающую среду от производств каустической соды и методов решения;

- инвентаризация основных источников загрязнения окружающей среды ртутью и ее'соединениями от производств каустической соды и хлора методом ртутного электролиза;

- обоснование возможности использования реакции окисления ртути молекулярным хлором для очистки ртутьсодержащих выбросов вентиляционного воздуха;

- математическое моделирование процесса очистки вентиляционных выбросов производства от ртути и на основе модели разработка основных технико-экономических показателей для аппаратурного решения;

- оценка экологической эффективности предлагаемого решения снижения ртути в вентиляционных выбросах и ее дальнейшая утилизация.

Научная новизна:

- показано, что эмиссия ртути в окружающую среду с выбросами вентиляционного воздуха производств каустической соды и хлора методом ртутного электролиза составляет более 0,6 г на 1 тонну выпускаемой каустической соды;

- впервые доказана возможность использования реакции окисления ртути молекулярным хлором в выбросах вентиляционного воздуха, в рамках существующей технологии производства;

- разработана математическая модель процесса очистки выбросов от ртути с использованием реакции окисления ртути молекулярным хлором, для минимизации выбросов ртути в окружающую среду;

- для оптимизации процесса очистки выбросов вентиляционного воздуха от ртути впервые предложен метод последовательного сужения множества Парето;

- разработанное технологическое решение минимизации объемов выбросов ртути в окружающую среду позволило, интегрировать его в существующий процесс очистки ртутьсодержащих сточных вод производства и вторично использовать улавливаемую ртуть.

На защиту выносятся результаты исследований, имеющие научную и практическую ценность, а именно:

- использование реакции окисления ртути молекулярным хлором для очистки выбросов вентиляционного воздуха производств каустической соды и хлора от ртути;

- математическая модель процесса очистки выбросов вентиляционного воздуха от ртути с использованием реакции окисления ртути молекулярным хлором;

- технологическое решение по минимизации эмиссии ртути в окружающую среду с выбросами производства каустической соды и хлора методом ртутного электролиза;

- оптимизация модели технологического процесса с использованием метода последовательного сужения множества Парето.

Достоверность полученных результатов работы обеспечивается использованием статистических данных систематического контроля содержания ртути в воздухе производства каустической соды и хлора, современной научно-аналитической базы в области химии ртути и корректным использованием методов математического системного моделирования.

Практическая значимость и реализация результатов работы

В результате исследований, проведенных в рамках решения поставленных задач, разработан процесс очистки вентиляционных выбросов.

Расчетная эффективность очистки выбросов вентиляционного воздуха от ртути составила 77,7%, предотвращенный экологический ущерб в зависимости, от конкретного технического решения от 66991,6 тыс. руб. до 83725,1 тыс. руб.

Результаты исследований переданы на ОАО «Каустик», г. Стерлитамак, с целью определения инвестиционной привлекательности предлагаемого научно-технического решения и возможности его внедрения.

Предлагаемые рекомендации к моделированию процессов и технологических аппаратов на основании оптимизации с применением множества возможных оценок представлен проектно-конструкторскому бюро ОАО «Каустик».

Апробация работы

Результаты работы докладывались и обсуждались на Всероссийской научно-практической конференции «Уралэкология природные ресурсы - 2005» (Уфа - Москва, 2005 г.), региональной конференции «Экология, наука, инновации» (Уфа, 2008 г.), ВсерЬссийской научно-технической конференции «Современные проблемы экологии» (Тула, 2009 г.).

Публикации

Основное содержание диссертации опубликовано в 12 работах, в том числе 1 статья в издании, включенном в перечень ВАК РФ.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, двух приложений, содержит 25 рисунков, 30 таблиц, список литературы из 135 наименований. Материалы диссертации изложены на 156 страницах машинописного текста.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность решаемых в диссертации задач, сформулированы цель и основные задачи исследований, методы их решения.

Глава 1. Эмиссия ртути в окружающую среду от производств каустической соды и хлора методом ртутного электролиза. С развитием технологии ртутного электролиза существенно сокращены удельные потери ртути, однако наличие большого количества высокотоксичного вещества в производственных условиях является потенциальным источником опасности, степень которой еще более возрастает в современных условиях морального и технического износа технологического оборудования. Кроме того, ртутный электролиз является опасным процессом в эксплуатации, поскольку при нарушении технологического процесса, например при ухудшении качества рассола, возможно выделение водорода на ртутном катоде, что приводит к образованию взрывоопасной смеси водорода и хлора.

Принципиальная схема производства каустической соды электролизом с ртутным катодом изображена на рисунке 1 (на примере ОАО «Каустик», г. Стерлита-мак).

На рисунке 2 изображена схема эмиссии ртути и ее соединений в окружающую среду при производстве хлора и каустической соды.

Источники эмиссии ртути в окружающую среду производства каустической соды и хлора методом электролиза с применением ртутного катода можно объединить в четыре группы: товарная продукция; выбросы (вентиляционные выбросы электролизного зала, вентиляционные выбросы и абгазы узла очистки стоков и регенерации шламов и др.); сточная вода после очистки ртутьсодержащих стоков; отработанные адсорбенты и очищенные ртутьсодержащие шламы.

Объем загрязнения окружающей среды ртутью, попадающей в атмосферный воздух с вентиляционными выбросами технологического помещения с электролизерами может до десяти раз превышать объемы ртути из источников выбросов, определяемых технологией процесса. Необходимость вентилирования производственного помещения определяется высокой рабочей температурой процесса (около 80-85°С) и, соответственно, потребностью в охлаждении. Также вентилирование производственных помещений необходимо для недопущения превышения содержания паров ртути в воздухе рабочей зоны выше уровня санитарно-гигиенических норм вследствие значительной скорости испарения ртути, которая с ростом температуры увеличивается.

Расход вентиляционного воздуха может находиться в диапазоне 20000 -120000 нм3 на тонну получаемого хлора или 300 000-2 000 000 нм3/ч в зависимости от времени года, погодных условий, конструктивных особенностей и проектных решений технологического помещения.

Предприятием ОАО «Каустик» осуществляется контроль за выбросами вредных веществ в атмосферный воздух непосредственно на источниках выбросов, за состоянием атмосферного воздуха на территории предприятия и в санитарно-защитной зоне.

ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА ПРОИЗВОДСТВА ХЛОРА И КАУСТИЧЕСКОЙ СОДЫ ЭЛЕКТРОЛИЗОМ С РТУТНЫМ КАТОДОМ НА ПРИМЕРЕ ОАО «КАУСТИК»

I продукция _______ _____

Рисунок 1 - Принципиальная схема производства каустической соды и хлора

Анализы воздуха рабочей зоны на наличие ртути выполняются атомно-абсорбционным методом на отечественном оборудовании с применением прибора «Юлия-2». Данный прибор обладает погрешностью ±20%, чувствительностью 0,0005 мг/м3, диапазоном измерения 0,0015- 0,015 мг/м3. Недостатками контроля воздушной среды на ОАО «Каустик» является отсутствие непрерывного анализа концентрации ртути в воздухе рабочей зоны и отсутствие систематического измерения концентрации ртути в выбросах вентиляционного воздуха.

Прямую оценку концентрации ртути в выбросах вентиляционного воздуха электролизного зала произвести невозможно в связи с отсутствием непрерывного аналитического контроля. Концентрация ртути в точке выброса в атмосферу значительно выше, чем концентрация ртути в воздухе рабочей зоны на отметке 6 м. Это определяется тем, что ртутные электролизеры располагаются на той же отметке, на которой производится отбор для анализа содержания ртути в воздухе рабочей зоны. В условиях высокой температуры процесса и эффективной работы вытяжной вентиляции, пары ртути, выделяющиеся через неплотности электролизеров и их компонентов, отводятся с отметки 6 м и выбрасываются из технологического помещения на отметке 15 м. Таким образом, концентрация ртути в вентиляционных выбросах может в десятки раз превышать концентрацию ртути в воздухе рабочей зоны.

По данным ОАО «Каустик», средняя концентрация паров ртути в вентиляционных выбросах составляет 0,038 мг/м3. С учетом высоты расположения источников выбросов и рассеивания паров ртути в атмосферном воздухе, максимальная концентрация ртути в воздухе на территории предприятия не превышает установленного предела ПДК на уровне 0,003 мг/м3.

Принимая во внимание объемы выбросов воздуха вентиляционной системы электролизного зала, эмиссия ртути из рассматриваемых источников составляет 133,2 - 166,5 кг ежегодно, без учета аварийных выбросов ртути.

Глава 2. Исследование проблемы эмиссии ртути в окружающую среду с промышленными выбросами. Потенциальная опасность загрязнения окружающей среды в той или иной мере является неотъемлемой составляющей производственной деятельности каждого предприятия.

ЭМИССИЯ РТУТИ И ЕЕ СОЕДИНЕНИИ В ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ КАУСТИКА И ХЛОРА МЕТОДОМ РТУТНОГО ЭЛЕКТРОЛИЗА

' Воздух из карманов > < электролизера )

Захолаживание воздуха и хонденснрование ртути

Удаление капелькой ртути

Воздух, выбрасываемый в атмосферу

Водород из

раалагателя

Захолаживание водорода и конденсация ртути

Фильтрация капельной ртути

Компрнмироваштс водорода

Адсорбция остаточной ртути, на активированном угле

Каустическая сода яз

разлагагеля *—

Очшцепиый водород потребителю

Элемент, ртуть, возвращаемая в производство

Сточные воды корпуса 131

3 С

Сточные воды корпуса 131Д

Очистка

[ртутьсодержа щих

Хлоривание сточных вод для образования из ртути и ее соединений хлорида Н§СЦ

Адсорбция хлора из с точных вод

Механическая фильтрация

Адсорбция ртути на ионообменных смолах

Ртутьсодержащие. шламы электролиза

Охлаждение и фильтрация

I "

Каустическая сода потребителям

Ртуть с о держащие4 шдамы рассолочистки

Регенерация

ртутьсодержащих

шламов

Отработанный уголь активированный АР-В на захоронение

Очищенные сточные воды в МЗС

Сточные воды в Выпуск Хв2 СМС

Отстаивание сточных вод

-С

' Отработанная ионообменная смола на

перерабатывающий V_комбинат

Печной огарок ^ захоронение )

Отработанный химический поглотитель ртути ХРП-ЗП

Л-

'Гермическая регенерация ртутьсодержащих шламов

под вакуумом в печах с индукционным обогревом

Конде не иро вани е ртути из печных газов

У __

Дцсорбция остаточной ■ ртути на активированном уте

-------------------1

; Абгазы, сбрасываемые в\ \ атмосферу

/ Вентаыбросы с очистки*! I стоков и регенерации | ^_ шламов__

Адсорбция остаточной ртути ва активированном угле

.___________*__________.

•* Очищенные ; вентвыбросы с очистки ! '. стоков и регенерации ' ] шламов, выбрасываемые ( в атмосферу у

В е нтв ыбросы зала электролизав • атмосферу

Элемент, ртуть, возвращаемая в производство

Сточные воды ' в р.Белая

Рисунок 2 - Эмиссия ртути и ее соединений в окружающую среду

Экологические риски производства каустической соды носят неравномерный характер распределения во времени. Можно выделить следующие периоды времени, когда экологические риски значительно выше по сравнению со среднестатистическими значениями, например в течение года: при работе оборудования на повышенных нагрузках (близких к проектной мощности либо максимально достигаемой на данном оборудовании); аварийной остановке цеха; плановой остановке цеха на ремонт; пуске цеха (после капитального ремонта, планового останова); в процессе перехода производства с одной нагрузки на другую.

Точный расчет эмиссии ртути в атмосферный воздух затруднен по следующим причинам. Во-первых, на объемы эмиссии значительное влияние оказывает температура окружающей среды, так как при повышении температуры интенсивность испарения ртути увеличивается. Во-вторых, при вентилировании технологических помещений поступающий (приточный) воздух неизбежно содержит определенное количество ртути, то есть имеет место циркуляция паров ртути с вентиляционным воздухом. Этот процесс находится в непосредственной зависимости от погодных условий: температуры, скорости ветра, влажности и т.д. В-третьих, со значительными трудностями сопряжен учет эмиссии ртути вследствие эффекта «ртутной памяти». Кроме указанных факторов значительное влияние на уровень эмиссии ртути в атмосферный воздух могут оказывать аварийные ситуации, например взрыв в электролизере или группе электролизеров. Такие события плохо подвергаются анализу и прогнозированию ввиду их маловероятного характера.

Ртуть и ее соединения, попадая в окружающую среду, совершают цикл, связанный с переносом ртути по воздуху, воде и земле. На рисунке 3 схематично изображен указанный процесс. Попадая в воздух с выбросами промышленных предприятий, ртуть с дождями, снегом или в виде переносимых воздухом паров оседает в земле или водоемах и накапливается в границах локальной зоны, находящейся в непосредственной близости от источника загрязнения либо рассеивается по прилегающим областям. Осевшая неорганическая ртуть может перерабатываться почвенными и водными бактериями в опасное органическое соединение - метилртуть (СН3Ь^+). Таким образом, усилия по сокращению количества ртути в ртутьсодер-жащих сточных водах сводятся к нулю в условиях чрезвычайно высоких объемов

МЕТИЛРТУТЬ

ПРОМЫШЛЕННАЯ ЭМИССИЯ ЭЛЕМЕНТАРНОЙ ПУТИ И ЕЕ СОЕДИНЕНИЙ

ЕСТЕСТВЕННАЯ ЭМИССИЯ

ПРОМЫШЛЕННЫЕ

выькк ы и с гоки

ВКЛАД ЕСТЕСТВЕННЫХ ЖОСИСТЕМ

Рисунок 3 - Схема переноса ртути в окружающей среде В диссертационной работе исследуется возможность использования указанной реакции в рабочем диапазоне температур для очистки ртутьсодержащих выбросов вытяжной вентиляционной системы технологического помещения, в котором установлены электролизеры.

Глава 3. Моделирование процесса очистки вентиляционного воздуха производства каустической соды от ртути. Современная научно-аналитическая база в области химии ртути, в том числе в области атмосферной ртути сформирова-

ртути, рассеивающихся с промышленными выбросами предприятий, производящих каустическую соду и хлор с использованием ртутной технологии.

В процессах выделения и концентрирования ртути, в первую очередь сточных ртутьсодержащих вод, используется реакция окисления ртути, находящейся в атомарном виде хлором. Однако возможность использования механизма этой реакции дДя очистки вентиляционных выбросов процесса ртутного электролиза с очень малой концентрацией паров ртути ранее не рассматривалась. Основная причина этого - низкая скорость реакции между и молекулярным хлором в диапазоне температур до 100°С.

ПЕРЕНОС РТУТИ

от глобальных и региональных источников В ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЕ

на работами ряда зарубежных и отечественных исследователей. Для математического моделирования процесса очистки выбросов вентиляционного воздуха производства щелочи и хлора с учетом анализа отечественных и зарубежных исследований в области химии ртути определено, что постоянная скорости гетерогенной реакции окисления ртути молекулярным хлором не ниже значения, опубликованного Schroeder W.H. в 1991 году в работе "Transformation Processes Involving Mercury Species in the Atmosphere - Results from a Literature Survey" - 4><10'16 см3-молекул"'-с"'.

С целью сокращения концентрации ртути в выбросах вентиляционного воздуха производств каустической соды и хлора методом ртутного электролиза предлагается орошать поток вентиляционного воздуха, создаваемого вентиляционными установками хлорной водой (водой с растворенным в ней хлором). Следует отметить, что материальный поток хлорной воды на производствах каустической соды и хлора образуется в процессе охлаждения хлоргаза и используется при обесхлоривании анолита. При распылении воды имеет место массовый перенос растворенного хлора в соответствии с законом Генри в газовую фазу. Концентрация растворенного в воде хлора должна быть такой, чтобы концентрация хлора в газовой фазе обеспечивала, с одной стороны, необходимый избыток для поддержания скорости реакции на требуемом уровне, с другой стороны - максимально возможное снижение концентрации хлора в вентиляционных выбросах.

Очистку выбросов вентиляционного воздуха от ртути с использованием механизма окисления ртути молекулярным хлором предлагается производить в реакторе колонного типа, заполненном насадкой и орошаемым хлорной водой. Аппарат данного типа сочетает в себе простоту конструкции с высокой эффективностью физико-химических превращений систем «газ-жидкость».

Основными факторами, определяющими целесообразность применения аппарата колонного типа с насадкой, являются значительный объем вентиляционных газов, нуждающихся в очистке и непрерывность процесса. Очищаемый вентиляционный воздух поступает в нижнюю часть аппарата со скоростью 1-2 м/с. Из верхней части аппарата противотоком поступающему воздуху осуществляется орошение хлорной водой. На хлорно-щелочном производстве ОАО «Каустик» объем выбросов вентиляционного воздуха составляет 400 ООО - 500 ООО нм3/ч. Выбросы из системы

вентиляции производятся в четырех точках, в каждой точке выброса необходимо использовать отдельный аппарат.

Принципиальная схема очистки выбросов вытяжной вентиляции электролизного зала производства каустической соды и хлора с учетом интеграции предлагаемого решения в технологический процесс очистки ртутьсодержащих сточных вод действующего производства приведена на рисунке 4. Использование данной схемы позволяет решить проблему утилизации улавливаемой ртути путем очистки ртуть-содержащей хлорной воды и последующей температурной регенерации ртути для вторичного использования.

Ртутьсодержащая сточная вода_

Соляная кислота

Хлор абгазньтй 0.5 МПа

Реагент обесхлоривания

Вода оборотная

Хлорная вода

Воздух технический 0,6 МПа

Узел подготовки хлорной воды

\Г

Подготов-1 ленная хлорная вода

^Предлагаемое техническое решение Очищенные выбросы вытяжной вентиляциошюй системы

Узел хлорирования сточных вод

Хлорная вода с __ растворенным HgCb с узла очистки выбросов

Ртутьсодержащие выбросы вытяжной вентиляционной системы

1 - узел подготовки хлорной вода; 2 - узел хлорирования сточных вод; 3 -угольный адсорбер; 4- промежуточный бак; 5 - насос; 6 - механический фильтр; 7 - промежуточная емкость; 8 - насосы подачи стоков на серию ионобменных , адсорберов; 9 - серия ионообменных адсорберов; I - абсорбер очистки выбросов ' вытяжной вентиляционной системы; И - емкость хлоркой воды; III - насос

Рисунок 4 - Принципиальная схема очистки выбросов вытяжной вентиляционной системы На основании уравнения скорости химической реакции зависимость концентрации ртути в очищаемом вентиляционном воздухе (Ун8, молекул/см3) от времени нахождения воздуха в абсорбере может быть выражена в следующем виде:

Ун§ =1,144. юЧ.е^^Л (1)

где Ус/'*1 - равновесная концентрация хлора в газовой фазе, молекул/см3. В таблице 1 приведены значения основных входных параметров процесса очистки выбросов вентиляционного воздуха.

Таблица 1 - Основные входные параметры процесса очистки ртутьсодержащих

выбросов

№ Обозначение Название параметра Ед. измерения минимальное значение максимальное значение

1 2 3 4 5 6

1 в. Расход вентиляционного воздуха на абсорбцию м3/ч 100 000 125 000

2 УнЭ(0) Концентрация ртути в выбросах вентиляционного воздуха г/м3 0,038-10'3 0,03 8-10'3

3 моль/см 1,9-10"13 1,9-10"'3

4 ХС12(0) Концентрация хлора во входном потоке хлорной воды мг/дм3 35 150

В таблице 2 показаны численные значения степени очистки, достижимые при указанных значениях времени реакции и концентрации хлора в газовой фазе.

Таблица 2 - Степень очистки вентиляционного воздуха от ртути, %

Концентрация хлора в газовой фазе Уа1*), молекул/см3

Время реакции 1, с 5,00-1013 1,00-10й 5,00-Ю14 7,50-Ю14 1,00-1015 1,20-1015 1,50-1015

1 2 3 4 5 6 7 8

5,0 9,52 18,13 63,21 77,69 86,47 90,93 95,02

7,0 13,06 24,42 75,34 87,75 93,92 96,53 98,50

9,0 16,47 30,23 83,47 93,28 97,27 98,67 99,55

12,0 21,34 38,12 90,93 97,27 99,18 99,68 99,93

На основании расчетных данных, представленных в таблице 2, можно сделать вывод о наиболее приемлемом диапазоне концентрации хлора в газовой фазе и наиболее оптимальном времени реакции: концентрация ртути в газовой фазе должна составлять (5-1014-1,2-1015) молекул/см3, что соответствует (8,31-1О'10-1,99-1О"9) моль/см3; время реакции должно составлять 5-9 секунд.

Выбор основных параметров процесса очистки в указанных диапазонах, с одной стороны, позволит обеспечить степень очистки вентиляционного воздуха выше

75%, а с другой стороны - оптимизировать геометрические размеры аппарата, в первую очередь - высоту. Высота является одним из основных параметров аппарата, определяющим как степень очистки вентиляционного воздуха от ртути, так и такие технико-экономические показатели процесса, как затраты на изготовление аппарата, затраты электроэнергии на создание требуемого потока воздуха вентиляционными установками и др.

Основными параметрами аппарата, требующими определения в процессе моделирования, являются: степень очистки выбросов, геометрические размеры (площадь поперечного сечения и высота), тип насадки, расход жидкой фазы на орошение и гидродинамическое сопротивление аппарата со смоченной насадкой.

Эффективность очистки аппарата напрямую связана со временем нахождения газовой фазы в аппарате. Таким образом, повышение экологической эффективности процесса очистки выбросов является причиной снижения экономической привлекательности реализации проекта, являющейся следствием удорожания стоимости аппарата и затрат на его монтаж. В указанной ситуации наиболее приемлемым решением является выбор в качестве «рабочей точки» процесса времени реакции 5 секунд при концентрации хлора в газовой фазе, равной 7,50-Ю14 молекул/см3. При этих параметрах рассчитанная степень очистки выбросов составляет 77,7% и достигаются минимальная высота аппарата. Еще одним плюсом рассматриваемого решения является приемлемый уровень избыточной концентрации хлора в газовой фазе, составляющий 1,25-10"9 моль/см3.

Для оптимального режима работы абсорбера необходимо установить такой расход орошающей жидкости, при котором площадь смоченной поверхности насадки стремилась бы к максимуму и режим работы аппарата был бы близок к режиму захлебывания. Плотность орошения для обеспечения смачивания насадки и образования на ее поверхности пленки должна составлять 7-24 кг/(м2-с).

Так как плотность орошения

где Ь - массовый расход жидкости на орошение, кг/с;

Б - площадь сечения аппарата, м2.

то, зная площадь сечения аппарата, можно определить диапазон требуемого массового расхода жидкости на орошение.

Площадь поперечного сечения рассчитываем по уравнению

S = -

ю0

(3)

где

О - расход газа, 41,806 кг/с; сод - фиктивная скорость газа (скорость газа, отнесенная к полному сечению абсорбера), м/с. Для определения величины ш0 рассчитаем скорость захлебывания ш3:

Ю3 Syfl рг 0,16 ч ' ' Р-ж

gSCB3 Рж

= А -1,75]

0,25

Рг

.Рж)

ч 0,125

(4)

где Syj - удельная поверхность насадки, м2/м3;

SCB - свободное сечение насадки, принимаемое численно равным свободному объему насадки, м2/м2; g - ускорение свободного падения, 9,81 м/с2; рг - плотность газовой фазы, 1,204 кг/м3; рж - плотность жидкой фазы, 998,23 кг/м3;

цж - динамическая вязкость орошающей жидкости, 1,005-Ю'3 Па-с; L - расход жидкости, кг/с;

А - значение переходной точки подвисания, для систем «газ -жидкость» А-0,079. Произведем подстановку известных значений и преобразуем формулу (4):

Г г, Л0'5

Ig©3 =0,0395 -0,149L0,25 - lg

4,074-10

-5 SW

jcb у

(5)

Соотношение между со0 и со3 определяется таким образом, чтобы, с одной стороны, обеспечивалась эффективность массообмена, с другой стороны, гидравлическое сопротивление аппарата оставалось по возможности низким.

При расчете параметров аппарата необходимо использовать значение средней (действительной) скорости вентиляционного воздуха, которая может быть определена как отношение объемного расхода газовой фазы к среднему сечению каналов:

где е - свободный объем насадки, м3/м3.

На основании данных, полученных при расчете зависимостей скорости газа оср, м/с, и диаметра аппарата Б, м, от расхода жидкости на орошении, в таблице 3 приведем расчетные данные по диаметру аппарата и по расходу жидкости на орошение, соответствующих плотности орошения 7-24 кг/(м2-с) и диапазону действительной скорости газа в аппарате 1,0-1,2 м/с.

Таблица 3 - Расчетные данные по диаметру аппарата (Б, м) и по расходу жидкости на орошение (Ьтш, Ьтах, кг/с)

№ Тип насадки и= 1,0 м/с \з=1,2 м/с

Ьтш, кг/с ^тах, КГ/с Дм КГ/с Ьтах, КГ/С

1 2 3 4 5 6 7 8

1 Керамические кольца Рашига 10x10x1,5 мм 7,841 338,0 1158,8 7,155 281,5 965,0

2 Керамические кольца Рашига 15x15x2,0 мм 7,740 329,3 1129,1 7,172 282,8 969,6

3 Керамические седла «Инталокс» 12,5 мм 7,479 307,5 1054,3 6,807 254,7 873,3

4 Керамические седла «Инталокс» 19,0 мм 7,518 310,7 1065,4 6,852 258,1 884,9

5 Керамические седла Берля 12,5 мм 7,986 350,6 1202,2 7,288 292,0 1001,1

6 Керамические седла Берля 25,0 мм 7,906 343,6 1178,1 7,215 286,2 981,3

7 Металлические кольца Рашига 10x10x3,0 мм 7,045 272,9 935,6 6,386 224,2 768,8

8 Металлические кольца Рашига 16x16x3,0 мм 6,760 251,3 861,5 6,169 209,2 717,4

Анализируя расчетные данные, можно сделать вывод, что наиболее оптимальным видом насадки будут керамические седла «Инталокс» и металлические кольца Рашига, обеспечивающие как минимальные размеры аппарата, так и минимальный расход жидкости для заданного диапазона плотностей орошения.

Также по данным, представленным в таблице 3, можно судить о том, что зависимость удельной поверхности определенного типа насадки от ее физических размеров оказывает незначительное влияние на диаметр моделируемого абсорбера. Из

ряда однотипных насадок выбираются те типоразмеры, при которых насадка имеет наибольшую удельную поверхность, что позволит повысить скорость реакции.

На основании произведенного анализа определяем приемлемый диапазон диаметра аппарата в интервале 6,2-7,6 м при скорости газа 1,0-1,2 м/с. Приемлемый диапазон расхода жидкости на орошение в указанных условиях составит 2101050 кг/с или 760-3790 м3/ч.

Дтя оценки потерь давления вентиляционного воздуха в аппарате определим его гидравлическое сопротивление:

Н ^ S

ДРор = 2 ■ ю51,2'и--Рг (при условии Rer > 40). (7)

Rer ' -в

Если рассматривать зависимость гидравлического сопротивления от плотности орошения насадки, то можно констатировать, что диапазон плотности орошения 0,007-0,017 м3/м2-с является предпочтительным с точки зрения минимизации энергетических затрат на преодоление сопротивления аппарата и сокращения расхода жидкой фазы на орошение. За этим диапазоном находится зона интенсивного роста сопротивления аппарата при линейном изменении плотности орошения.

На основе анализа основных факторов процесса, определяющих выбор насадки - минимального расхода орошающей жидкости и минимального гидравлического сопротивления аппарата в качестве насадки выбираем металлические кольца Рашига 16x16x3,0 мм. При этом существенно сокращается диапазон допустимых расходов жидкости на орошение.

На основании уточненных данных о диапазоне плотности орошения, с учетом выбранного типа насадки пересчитаем значения максимального расхода жидкости на орошения. Диапазон расхода жидкости на орошение сократился до 760-2200 м3/ч. С учетом выбранного типа насадки определяем приемлемый диапазон диаметра аппарата в интервале 6,2-6,8 м при скорости газа 1,0-1,2 м/с.

Полученные уравнения материального баланса, а также отношения для основных параметров аппарата и границы, в которых параметры аппарата могут изменяться, позволяют сформировать систему уравнений и условий для построения математической модели процесса абсорбции ртути из вентиляционного воздуха (8).

Общее условие оптимизации полученной системы уравнений: максимальное снижение концентрации ртути в вентиляционном воздухе при минимально возможных размерах аппарата.

гн§ Н

т = — . и

и = — е-Б

Ь = (7 + 17)-8

ш0

ш0 = (0,75 4- 0,85)©3

<о з=0,0395- 0,149Ь0'25 -

\ 0,5

4,074-10

-5

-■ев У

ДР00 = 2 • 1051,2'и •Н ° Рг (при условии 11ег > 40) Яег ' -е

Яег =

и-ёэ-рг

Мг

Не(6,24-6,8) м те (5-7) с и е (1,04-1,2) м/с

(8)

В результате исследования химического процесса и математического моделирования аппарата получена система уравнений и условий, позволяющая оценить влияние входных параметров (расход вентиляционного воздуха, тип насадки, скорость газовой фазы, равновесная концентрация хлора в газовой фазе, плотность орошения) на целевые параметры, к которым относятся: геометрические размеры аппарата, степень очистки вентиляционного воздуха от ртути, расход жидкой фазы на орошение, гидравлическое сопротивление и концентрация хлора в выходном потоке газовой фазы.

Глава 4. Разработка технического решения процесса очистки вентиляционного воздуха производства каустической соды от ртути. Для выбора оптимального решения при расчете аппарата для очистки вентиляционного воздуха от ртути выберем основные критерии оценки решения. Решение о выборе критериев, по которым будет оцениваться эффективность процесса очистки, вытекает из анализа параметров процесса, включенных в систему уравнений и условий (8).

Зададим возможные комбинации входных параметров аппарата для отыскания всех возможных решений реализации абсорбера для процесса очистки выбросов вентиляционного воздуха от ртути. Шаг изменения входных параметров выбирается исходя из предварительного анализа модели. Так, например, шаг дискретизации скорости газовой фазы выбран в 0,1 м/с, что позволит в полной мере определить влияние скорости на комплекс критериев для оценки эффективности решения по выбору аппарата при минимальном объеме анализируемых данных.

Для того чтобы принять решение (выбрать из множества возможных реализаций абсорбера наиболее эффективное с учетом предпочтений ЛПР - лица, принимающего решение) воспользуемся понятием оптимального по Парето решения. Оно представляет собой обобщение понятия точки максимума числовой функции: решение Парето-оптимально, если значение любого из критериев можно улучшить лишь за счет ухудшения значений остальных критериев.

Определив Парето-оптимальные решения, производим дальнейшую оптимизацию с использованием методики задания относительных весов каждого критерия, свертки критериев с учетом их относительных весов и поиском оптимума полученной свертки. Основным достоинством предлагаемого подхода является гибкость в определении относительных весов критериев в зависимости от цели оптимизации: минимизация экологического ущерба, оптимизация материальных затрат на реализацию мероприятия, минимизацию затрат при эксплуатации объекта и др.

Предотвращенный ущерб от внедрения на ОАО «Каустик» установки очистки выбросов вентиляционного воздуха в зависимости от конкретного технического решения составит от 66 991 600 до 83 725 125 рублей.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1 Произведена инвентаризация источников эмиссии ртути в окружающую среду при производстве каустической соды и хлора, которая показала:

- одним из основных направлений эмиссии ртути являются выбросы вентиляционного воздуха технологических помещений с электролизерами;

- на отечественных предприятиях эмиссия ртути в атмосферный воздух с вентиляционными выбросами составляет более 0,6 г на 1 т выпускаемой каустической соды без учета аварийных выбросов.

2 Обоснована возможность использования реакции окисления ртути, находящейся в атомарном виде (Hg0) молекулярным хлором для очистки ртутьсодержащих выбросов вентиляционного воздуха; определено, что постоянная скорости гетерогенной реакции окисления ртути молекулярным хлором при нормальных условиях составляет 4х10'16 см3-молекул"'-с"!.

3 Исследованиями химического процесса и моделирования аппарата получена система уравнений и условий, позволяющая оценить в динамике изменение основных параметров: геометрические размеры аппарата, степень очистки вентиляционного воздуха от ртути, расход жидкой фазы на орошение, гидравлическое сопротивление и концентрацию хлора в выходном потоке газовой фазы в зависимости от изменения входных параметров: расход вентиляционного воздуха, тип насадки, скорость газовой фазы, равновесная концентрация хлора в газовой фазе, плотность орошения.

4 Степень очистки вентиляционного воздуха от ртути при реализации предлагаемой научно-технологической разработки составит не менее 75%.

5 Предложена методика гибкой оптимизации процесса в зависимости от возможных сценариев оценки эффективности: минимизация экологического ущерба, затрат на реализацию мероприятия и затрат при эксплуатации объекта и др.

6 Предотвращенный ущерб от внедрения разработанной установки очистки выбросов вентиляционного воздуха на ОАО «Каустик» в зависимости от конкретного технического решения составит от 66 991,6 до 83 725,1 тыс. руб.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих печатных работах:

1 Абдрахимов Ю.Р. Технико-экологические аспекты производства каустической соды и хлора / Абдрахимов Ю.Р., Мотин В.В. // Уралэкология природные ресурсы- 2005: материалы Всерос. науч.-практ. конф. - Уфа-М., 2005. - С.243-245.

2 Абдрахимов Ю.Р. Комплексное решение задач эффективного управления экологической и промышленной безопасностью в город Стерлитамак, Башкортостан / Абдрахимов Ю.Р., Мотин В.В., Буркина E.H. Н Уралэкология природные ресурсы-2005: материалы Всерос. науч.-практ. конф. - Уфа-М., 2005. - С. 13-15.

3 Мотин В.В. Совершенствование методологии идентификации опасностей и анализа риска опасных производственных объектов / Мотин В.В., Абдрахимов Ю.Р.; редкол.: Ю.Р.Абдрахимов и др. // Актуальные проблемы обеспечения безопасности производства: межвуз. сб. науч. тр. - Уфа, 2007. - С.4.

4 Мотин В.В. Причины, определяющие необходимость анализа риска производств каустической соды методом электролиза с ртутным катодом / Мотин В.В., Абдрахимов Ю.Р.; редкол.: Ю.Р.Абдрахимов и др. // Актуальные проблемы обеспечения безопасности производства: межвуз. сб. науч. тр. - Уфа, 2007. - С.5.

5 Абдрахимов Ю.Р. Опасности загрязнения окружающей среды производства каустической соды методом электролиза на ртутном катоде / Абдрахимов Ю.Р., Мо-тина H.H., Мотин В.В. // Башкирский экологический вестник: науч. журн. - Уфа: Изд-во «Экология», 2007. - №1. - С.17-19.

6 Абдрахимов Ю.Р. Совершенствование методологии идентификации опасности и анализа риска опасных производственных объектов / Абдрахимов Ю.Р., Мо-тина H.H., Мотин В.В. // Башкирский экологический вестник: науч. журн. - Уфа: Изд-во «Экология», 2007. - №1. - С.44-45.

7 Буркина E.H. Анализ основных факторов для построения вероятностной модели безопасности технологического процесса на основе экологических рисков / Буркина E.H., Мотин В.В.; редкол.: Н.Х. Абдрахманов и др. // Обеспечение промышленной безопасности на предприятиях нефтяной и газовой отрасли: сб. науч. тр. - Уфа, 2007. - С. 58-63.

8 Мотина H.H. Эколого-экономическое моделирование на предприятии / Мо-тина H.H., Мотин В.В. // Мировое сообщество: проблемы и пути решения: сб. науч. ст. - Уфа: Изд-во УГНТУ, 2007. - №22. - С. 68-70.

9 Абдрахимов Ю.Р. Эмиссия ртути в окружающую среду при производстве каустической соды и хлора методом ртутного электролиза / Абдрахимов Ю.Р., Мо-тина H.H., Мотин В.В. // Башкирский химический журнал: науч. изд. - Уфа: Изд-во «Реактив», 2007. - Т. 14, №5. - С.70-73. ,

10 Мотин В.В. Управление эмиссией вредных веществ на примере проблемы загрязнения окружающей среды ртутью и ее соединениями / Мотин В.В., Абдрахимов Ю.Р., Мотина H.H. // Экология, наука, инновации: материалы регион, конф. -Уфа, 2008. - С.73-78.

11 Мотин В.В. Основные аспекты технологического решения по минимизации объемов эмиссии ртути в окружающую среду с выбросами производства каустической соды и хлора / под общ. ред. Э.М.Соколова // Современные проблемы экологии: материалы Всеросс. науч.-техн. конф. - Тула: Изд-во «Инновационные технологии», 2009. - С.14-17.

12 Мотин В.В. Использование гомогенной реакции в газовой фазе и гетерогенной поверхностно-катализируемой реакции Hg0 и С12 для очистки вентиляционных выбросов производств каустической соды и хлора от ртути / В.В. Мотин, Ю.Р. Абдрахимов; под общ. ред. Э.М.Соколова // Современные проблемы экологии: материалы Всеросс. науч.-техн. конф. - Тула: ИзД-во «Инновационные технологии», 2009. - С.8-13.

Подписано в печать 13.10.09. Бумага офсетная. Формат 60x84 1/16. Гарнитура «Times». Печать трафаретная. Усл. печ. л. 1. Тираж 90. Заказ 222. Типография Уфимского государственного нефтяного технического университета Адрес типографии: 450062, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Мотин, Владислав Владимирович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ЭМИССИЯ РТУТИ В ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ ОТ ПРОИЗВОДСТВ КАУСТИЧЕСКОЙ СОДЫ И ХЛОРА МЕТОДОМ РТУТНОГО ЭЛЕКТРОЛИЗА.

1.1 Технология получения каустической соды электролизом с использованием ртутного катода.

1.2 Основные направления эмиссия ртути производства ртутного электролиза в окружающую среду на примере ОАО «Каустик», Стерлитамак

1.2.1 Оценка содержания ртути в потоках товарных продуктов

1.2.2 Ртутьсодержащие выбросы производства хлора и каустика методом ртутного электролиза.

1.2.3 Сточные воды производства хлора и каустика методом ртутного электролиза

1.2.4 Перенос ртути в окружающую среду со шламами производства ртутного электролиза.

1.3 Выводы по главе.

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОБЛЕМЫ ЭМИССИИ РТУТИ В ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ С ПРОМЫШЛЕННЫМИ ВЫБРОСАМИ

2.1 Опасности загрязнения окружающей среды производством каустической соды и хлора методом ртутного электролиза.

2.2 Анализ основных требований в области охраны окружающей среды на примере ртутьсодержащих отходов ОАО «Каустик».

2.3 Основные направления контроля эмиссии ртути в окружающую среду

2.4 Анализ возможностей снижения выбросов ртути в окружающую среду при производстве каустической соды и хлора методом ртутного электролиза

2.5 Выводы по главе.

ГЛАВА 3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ОЧИСТКИ ВЕНТИЛЯЦИОН- 92 НОГО ВОЗДУХА ПРОИЗВОДСТВА КАУСТИЧЕСКОЙ СОДЫ ОТ РТУТИ

3.1 Современные представления о гомогенной химической реакции в газовой фазе и гетерогенной поверхностно-катализируемой реакции Hg° и СЬ

3.2 Технологический процесс очистки выбросов вытяжной вентиляции производств каустической соды от ртути.

3.2.1 Основные требования к моделируемому процессу.

3.2.2 Моделирование химического процесса окисления ртути хлором, оценка эффективности очистки вентиляционного воздуха.

3.2.3 Моделирование рабочих параметров абсорбера для процесса очистки выбросов от ртути.

3.2.4 Оптимизация гидравлического сопротивления аппарата

3.3 Выводы по главе.

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА ТЕХНИЧЕСКОГО РЕШЕНИЯ ПРОЦЕССА ОЧИСТКИ ВЕНТИЛЯЦИОННОГО ВОЗДУХА ПРОИЗВОДСТВА КАУСТИЧЕСКОЙ СОДЫ ОТ РТУТИ.

4.1 Исследование математической модели процесса очистки выбросов вытяжной вентиляции производства каустической соды от ртути

4.2 Оценка предотвращенного эколого-экономического ущерба от внедрения системы очистки вентиляционных выбросов на ОАО «Каустик».

4.3 Выводы по главе.

Введение Диссертация по биологии, на тему "Повышение экологической безопасности производства каустической соды снижением эмиссии ртути в окружающую среду"

Периодически в средствах массовой информации появляются сообщения о разливах металлической ртути в школах и высших учебных заведениях, в общественных местах со значительным скоплением людей, а также в заброшенных помещениях, расположенных в непосредственной близости от жилых кварталов. Как правило, эти происшествия вызывают широкий резонанс, задействуются местные и федеральные ресурсы для определения источника загрязнения, для ликвидации угрозы отравления населения, производится полный комплекс мероприятий по предотвращению распространения паров ртути и по обезвреживанию зараженной и прилегающей к ней территории.

Эти происшествия формируют в общественном сознании отношение к ртути и к ее парам как к одному из самых опасных ядов. Однако проблемы эмиссии ртути в окружающую среду в результате промышленного производства остаются «затененными», скрытыми от внимания широкой общественности. В качестве наиболее характерного примера можно рассмотреть производство каустика и хлора методом ртутного электролиза, расположенное в г.Стерлитамак, Республика Башкортостан.

Метод производства каустической соды (натрия едкого) и хлора электролизом рассола поваренной соли с использованием ртутного катода не является инновационным, он хорошо изучен, технология производства является зрелой. На современном этапе развития технического прогресса эта технология является незаменимой с точки зрения обеспечения химической чистоты основного получаемого продукта — каустической соды, так как в ряде производств может применяться только каустик, полученный электролизом с применением ртутного катода.

До тех пор, пока существует потребность в высокочистой каустической соде, производства, использующие в технологическом процессе ртуть, будут функционировать до полной выработки технических ресурсов либо до принятия нормативно-правовых норм, запрещающих их функционирование. В качестве примеpa можно привести документ ПБ 09-594-03 «Правила безопасности при производстве, хранении, транспортировании и применении хлора» предписывающий, что все вновь проектируемые и реконструируемые производства хлора должны оснащаться мембранными или диафрагменными электролизерами, исключающими использование ртути.

Хлорно-щелочное производство, основанное на методе электролиза с использованием ртутного катода, является крупнейшим в мире потребителем ртути и одним из самых крупных источников эмиссии ртути в окружающую среду. Источниками эмиссии ртути в окружающую среду от производства каустика и хлора методом ртутного электролиза являются сточные воды, твердые отходы и выбросы в атмосферу. Еще одним направлением эмиссии ртути является ее перенос с потоками товарных продуктов - каустической соды (натрия едкого) и электролитического водорода.

Изыскания, направленные на развитие процессов очистки сточных вод и ртутьсодержащих шламов хлорно-щелочных производств получили широкое практическое применение на большинстве современных предприятий отрасли. Однако следует отметить, что наибольшая часть потерь ртути связана с ее эмиссией в атмосферный воздух, в основном с выбросами вытяжной вентиляции электролизных залов.

Проблема заключается в том, что производства каустической соды и хлора методом ртутного электролиза в силу ряда причин, основными из которых являются потребность в охлаждении производственного помещения вследствие высокой температуры процесса и поддержания в предписываемых пределах концентрации ртути в воздухе рабочей зоны, должны обеспечивать 10-25 кратную замену воздуха в час в технологическом помещении с электролизерами. При этом объем выбросов вытяжной вентиляции может находиться в диапазоне 20 ООО — 12 0000 нм3 на тонну получаемого хлора. При нормальном функционировании процесса выбросы вытяжной вентиляции содержат пары ртути с концентрацией в несколько раз больше, чем среднесуточная ПДК в воздухе рабочей зоны.

В аварийных ситуациях или при разгерметизации оборудования концентрация паров ртути в выбросах вентиляционных газов может быть существенно выше.

Практически неуправляемый выброс существенных объемов воздуха вытяжной вентиляционной системы из производственных помещений приводит к рассеиванию на значительной территории большой массы загрязнителя первого класса опасности.

В настоящее время существует достаточно ограниченное количество решений, позволяющих минимизировать объемы выбросов ртути в атмосферу. Существующие методы очистки выбросов от ртути предполагают очистку высокотемпературных дымовых газов при температурах 350-1000°С, проблема очистки выбросов от ртути в диапазоне температур 10-40°С является не решенной. Одной из основных тенденций развития природоохранных технологий в этом направлении является исследование абсорбционных методов очистки воздуха и разработка соответствующего аппаратурного оформления.

Актуальность проблемы очистки вентиляционных выбросов производств каустической соды и хлора методом электролиза с использованием ртутного катода не вызывает сомнения. Проблема выбросов ртути при промышленном производстве требует безотлагательного решения. Это определяется рядом причин.

Во-первых, потребности рынка ПВХ значительно больше имеющихся в стране производственных мощностей. Поэтому на Стерлитамакском ОАО «Каустик» в настоящее время реализуется программа по реконструкции комплекса ПВХ, направленная на расширение мощностей по выпуску поливинилхлорида. Реализация этой программы повлечет за собой рост потребности в хлоре, таким образом, с высокой степенью достоверности можно говорить и об интенсификации производства каустической соды и хлора, в том числе о предельной загрузке технологического оборудования. С учетом степени износа технологического оборудования можно ожидать как непосредственного увеличения объемов выбросов, так и роста вероятности развития аварийных ситуаций.

Во-вторых, основная цель промышленного производства в настоящее время - получение максимальной прибыли, и практика «закрывания глаз» на экологические проблемы все чаще становится нормой ведения бизнеса. С учетом того, что технология ртутного электролиза будет использоваться еще по крайней мере 15 лет, трудно недооценить ущерб, который будет нанесен в окружающей среде в течение этого периода.

В-третьих, принимая во внимание современную политику государства, направленную на ужесточение требований в области природопользования, предприятие, планируя стратегию развития должно учитывать этот факт и предпринимать действия, обеспечивающие стабильность своего функционирования.

Целью диссертационной работы является анализ комплекса проблем, связанных с эмиссией ртути в окружающую среду от производств каустической соды и хлора методом ртутного электролиза; разработка модели процесса очистки выбросов вытяжной вентиляции и в результате разработка технического решения и оценка его эколого-экономической эффективности.

Указанная цель определила постановку и решение следующих научно-исследовательских задач:

- анализ проблемы эмиссии ртути в окружающую среду от производств каустической соды и методов решения;

- инвентаризация основных источников загрязнения окружающей среды ртутью и ее соединениями от производств каустической соды и хлора методом ртутного электролиза;

- математическое моделирование процесса очистки вентиляционного воздуха от ртути;

- исследование с использованием полученной модели процесса очистки выбросов вентиляционного воздуха от ртути с определением основных технико-экономических показателей аппаратурного решения;

- оценка экологической эффективности предлагаемого решения улавливания ртути из вентиляционных выбросов и ее дальнейшей утилизации.

Поставленные задачи решались путем анализа статистических и аналитических данных, обобщения литературных и патентных материалов, использованием данных систематического контроля содержания ртути в воздухе рабочей зоны производства каустической соды и хлора, современной научно-аналитической базы в области химии ртути и корректным использованием методов математического системного моделирования.

В результате исследований, проведенных в рамках решения поставленных задач, разработана возможность вывода из технологического процесса и утилизации значительной доли ртути. Эффективность очистки выбросов вытяжной вентиляции производства каустической соды и хлора методом электролиза с ртутным катодом составила 77,7%.

Результаты исследований переданы на. ОАО «Каустик», г. Стерлитамак, с целью определения возможности инвестирования природоохранного решения очистки выбросов вентиляционного воздуха с использованием реакции окисления ртути молекулярным хлором.

Предлагаемый подход к моделированию процессов и технологических аппаратов на основании оптимизации с применением множества возможных оценок (оценок возможного решения) представлен проектно-конструкторскому бюро ОАО «Каустик» для выбора оптимальных характеристик проектируемых аппаратов и режима ведения процесса на стадии проектирования.

Основные научные положения и практические результаты работы докладывались и обсуждались на Всероссийской научно-практической конференции «Уралэкология природные ресурсы - 2005» (Уфа - Москва, 2005 г.), региональной конференции «Экология, наука, инновации» (Уфа, 2008 г.), Всероссийской научно-технической конференции «Современные проблемы экологии» (Тула, 2009 г.).

Заключение Диссертация по теме "Экология", Мотин, Владислав Владимирович

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

2 Обоснована возможность использования реакции окисления ртути, находящейся в атомарном виде (Hg°) молекулярным хлором для очистки ртутьсодержащих выбросов вентиляционного воздуха; определено, что постоянная скорости гетерогенной реакции окисления ртути молекулярным хлором при нормальных условиях составляет 4х 10"16 см3-молекул"'-с"1.

Библиография Диссертация по биологии, кандидата технических наук, Мотин, Владислав Владимирович, Уфа

1. Федеральный закон об охране окружающей среды №7-ФЗ от 10.01.2002 г.

2. Федеральный закон о промышленной безопасности опасных производственных объектов №116-ФЗ от 21.07.1997 г.

3. Федеральный закон о защите населения и территорий от чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера №68-ФЗ от 21.12.1994 г.

4. Федеральный закон о техническом регулировании №184-ФЗ от 27.12.2002г.

5. Федеральный закон о санитарно-эпидемиологическом благополучии населения №52-ФЗ от 30.03.1999 г.

6. Экологический кодекс Республики Башкортостан №ВС-13/28 от 28.10.1992г.

7. ГОСТ 12.1.005-88 "Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны". Дата введения 01.01.1989 г.

8. ГОСТ Р ИСО 14040-99 "Управление окружающей средой. Оценка жизненного цикла. Принципы и структура". Дата введения 01.07.1999 г.

9. ГОСТ Р ИСО 14042-2001 "Управление окружающей средой. Оценка жизненного цикла. Оценка воздействия жизненного цикла". Дата введения 01.07.2002 г.

10. ГОСТ 11078-78, изм.1-3 «Натр едкий очищенный. Технические условия». Дата введения 01.01.1979 г. Дата последнего изменения 05.09.2005 г.

11. ГОСТ 2263-79, изм. 1,2,3 «Натр едкий технический. Технические условия». Дата введения 01.01.1981 г. Дата последнего изменения 01.03.1990 г.

12. ТУ-2132-034-46696320-2006 «Сода каустическая (Натр едкий очищенный)». Дата введения 2006 г.

13. РД 03-418-01. Методические указания по проведению анализа риска опасных производственных объектов. Госгортехнадзор России, 2001. // Безопасность труда в промышленности. — 2001. №10. С.40-50.

14. ПБ 09-594-03 Правила безопасности при производстве, хранении, транспортировании и применении хлора (утв. постановлением Госгортехнадзора РФ от 5 июня 2003 г. N 48).

15. ПБ 09-540-03 Общие правила взрывобезопасности для взрывопожароопасных химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств (утв. постановлением Госгортехнадзора РФ от 5 мая 2003 г. N 29).

16. Гигиенические нормативы ГН 2.1.5.1315-03 "Предельно допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования"

17. Гигиенические нормативы ГН 2.1.6.1338-03 "Предельно допустимые концентрации (ПДК) загрязняющих веществ в атмосферном воздухе населенных мест" (с изменениями на 03.11.2005 г.)

18. Постоянный технологический регламент производства едкого натра, водорода и жидкого хлора ртутным методом № 24-04. Стерлитамакское ОАО «Каустик», 2004 г. 108 с.

19. Alexei F. Khalizov, Balakrishnan Viswanathan, Pascal Larregaray, and Parisa A. Ariya. A Theoretical Study on the Reactions of Hg with Halogens: Atmospheric Implications.

20. Ariya, P.A., A. Khalizov, and A. Gidas, 2002, "Reactions of Gaseous Mercury with Atomic and Molecular Halogens: Kinetics, Product Studies, and Atmospheric Implications," Journal of Physical Chemistry A 106(32):7310-7320.

21. Chlorine Industry Review 2007-2008. Euro Chlor 08/2008. http://www.eurochlor.org/upload/documents/document268.pdf— 32 p.

22. Global mercury assessment. Issued by UNEP Chemicals. Geneva. December 2002. -p. 270.

23. Hall, В., О. Lindqvist, and E. Ljungstrom, 1990, "Mercury Chemistry in Simulated Flue Gases Related to Waste Incineration Conditions," Environmental Science & Technology 24(1): 108-111.

24. Hall, В., P. Schager, and O. Lindqvist, 1991, "Chemical Reactions of Mercury in Combustion Flue Gases," Water, Air, and Soil Pollution 56:3—14.

25. Kelly Martin, Eduardo Gonzalez, Chenn Q.Zhou, C.D. Livengood, M.H.Mendelsohn. Elemental Mercuiy Removal Using a Wet Scrubber. Presented at 61 Annuel Meeting of the American Power Conference, Chicago, April 1999. -p. 9.

26. M.H.Mendelsohn, C.David Livengood. Critical Review of Mercuiy Chemistry in Flue Gas. Argonne National Laboratory. Energy systems Division. August 2006. -p. 98.

27. Marshall H. Mendelsohn, C.David Livengood. A New Method for Oxidation of Gaseous, Elemental Mercury. Presented at Air & Waste Management Association's, Mercury in the Environment Specialty Conference, Minneapolis, September, 1999.-p. 15.

28. Medhekar, A.K., et al., 1979, "Surface Catalyzed Reaction of Hg + C12", Chemical Physics Letters 65(3):600-604.

29. Mendelsohn, M.H., Livengood, C.D. Reaction of Gaseous, Elemental Mercury with Dilute Halogen Solution. National meeting of the American Chemical Society, Orlando, FL (United States), August 1996. p. 5.

30. Menke, R., and G. Wallis, 1980, "Detection of Mercury in Air in the Presence of Chlorine and Water Vapor," American Industrial Hygiene Association Journal 41(2):120—124.

31. Mercury Study Report To Congress. Volume I: Executive Summary. U.S. Environmental Protection Agency, Office of Air Quality Planning and Standarts and Office of Research and Development, December 1997. p. 95.

32. Mercury Study Report To Congress. Volume VIII: An Evaluation of Mercury Control Technologies and Costs. U.S. Environmental Protection Agency, Office of Air Quality Planning and Standarts and Office of Research and Development, December 1997.-p. 207.

33. National Emission Standards for Hazardous Air Pollutants: Mercury Emissions From Mercury Cell Chlor-Alkali Plants; Final Rules. Environmental Protection Agency, 40 CFR Part 63, December 2003. p. 44.

34. P'yankov, V.A., 1949, "Kinetics of the Reaction between Mercury Vapor and Ozone," Zhur. Obshchei Khim. 19:224-229 (1949); Journal of General Chemistry (USSR) (Engl. Transl.) 19:187-192.

35. Schroeder, W.H., and J. Munthe, 1998, "Atmospheric Mercury — An Overview," Atmospheric Environment 32(5):809-822.

36. Schroeder, W.H., G. Yarwood, and H. Niki, 1991, "Transformation Processes Involving Mercury Species in the Atmosphere — Results from a Literature Survey," Water, Air, and Soil Pollution 56:653-666.

37. Seigneur, C., J. Wrobel, and E. Constantinou, 1994, "A Chemical Kinetic Mechanism for Atmospheric Inorganic Mercury," Environmental Science & Technology 28(9): 1589-1597.

38. Skare, I., and R. Johansson, 1992, "Reactions Between Mercury Vapor and Chlorine Gas at Occupational Exposure Levels," Chemosphere 24(11): 1633-1644.

39. Widmer, N.C., J. West, and J.A. Cole, 2000, "Thermochemical Study of Mercury Oxidation in Utility Boiler Flue Gases," paper number 390 in Proceedings of the

40. Air & Waste Management Association 93rd Annual Conference and Exhibition, Salt Lake City, Utah, June 18-22.

41. Абдрахимов Ю.Р. Малоотходные технологии и охрана окружающей среды. -Уфа, 1990.

42. Абдрахимов Ю.Р. Разработка технологий комплексного использования неорганических отходов нефтепереработки и нефтехимии. Докторская диссертация.-Уфа, 1993.

43. Алиев Г.М.-А. Техника пылеулавливания и очистки промышленных газов.-М.,"Металлургия", 1986.-544 с.

44. Ахметов Н.С. Общая и неорганическая химия.- М., "Высшая школа", 1981. -680 с.

45. Багодский B.C. Основы электрохимии. М., "Химия", 1988. - 400 с.

46. Белов П.Г. Системный анализ и моделирование опасных процессов в техносфере. Учебное пособие для студентов вузов. М.: Академия. 2003. 512 с.

47. Белов П.Г. Моделирование опасных процессов в техносфере. М., Издательство Академии гражданской защиты МЧС РФ, 1999. - 124 с.

48. Бесков B.C., Сафронов B.C. Общая химическая технология и основы промышленной экологии. М., "Химия", 1999. - 472 с.

49. Болотов В.В., Гайдукевич А.Н., Свечникова Е.Н., Сыч Ю.В., Жукова Т.В., Микитенко Е.Е., Дынник Е.В., Зареченский М.А., Колесник С.В. Аналитическая химия. Харьков, издательство НФАУ "Золотые страницы", 2001. - 455 с.

50. Болотов В.В., Сыч Ю.В., Жукова Т.В., Микитенко Е.Е., Свечникова Е.Н., Костина Т.А., Петухова И.Ю., Мороз В.П. Аналитическая химия в схемах и таблицах. Харьков, издательство НФАУ "Золотые страницы", 2002. - 170 с.

51. Быховчкая М.С., Гинзбург С.Л., Хализова О.Д. Методы определения вредных веществ в воздухе и других средах. М., "МЕДГИЗ", 1960. -316 с.

52. Васильев В.П. Аналитическая химия. Часть 1. М., "Высшая школа", 1989. -320 с.

53. Васильев В.П. Аналитическая химия. Часть 2. М., "Высшая школа", 1989. -384 с.

54. Высокоэффективная очистка воздуха. Под редакцией П.Уайта, С.Смита.-М.,"Атомиздат", 1967.-312 с.

55. Гаммет JI. Основы физической органической химии. -М., "Мир", 1972. 535 с.

56. Гартман Т.Н., Клушин Д.В. Основы компьютерного моделирования химико-технологических процессов.-М., ИТСЦ "Академкнига", 2006.-416 с.

57. Гейтс Б., Кетцир Дж., Шуйт Г. Химия каталитических процессов. М., "Мир", 1981.- 551 с.

58. Герц Г. Электрохимия,- М., "Мир", 1983.-231 с.

59. Гладышев В.П., Левицкая С.А., Филлипова Л.М. Аналитическая химия ртути. М., "Наука", 1974. - 225 с.

60. Глебов Н.И., Кочетов Ю.А., Плясунов А.В. Методы оптимизации. Новосибирск, Новосибирский университет, 2000. - 105 с.

61. Грушко Я.М. Вредные органические соединения в промышленных выбросах в атмосферу. Справочник. Л., Химия, 1986. — 207 с.

62. Дамаскин Б.Б., Петрий О.А. Введение в электрохимическую кинетику. -М.,"Высшая школа", 1983.-400 с.

63. Демлов Э., Демлов 3. Межфазный катализ. М., "Мир", 1987. - 466 с.

64. Дикерсон р., Грей Г., Хейт Дж. Основные законы химии. М., "Мир", 1982. -847 с.

65. Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии. -М., "Химия", 1995.-368 с.

66. Зайцев И.Д., Асеев Г.Г. Физико-химические свойства бинарных и многокомпонентных растворов неорганических веществ. М., "Химия", 1988. - 416 с.

67. Зарецкий С.А., Сучков В.Н., Животинский П.Б. Электрохимичекая технология неорганических веществ и химические источники тока.- М., "Высшая школа", 1980.-423 с.f

68. Иоффе И.Л. Проектирование процессов и аппаратов химической технологии.-Ленинград, "Химия", 1991.- 352 с.

69. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии.- М., "ГНТИ Химической литературы", 1961. 861 с.

70. Кафаров В.В., Мешалкин В.П. Анализ и синтез химико-технологических систем. М., "Химия", 1991.-453 с.

71. Кафаров В.В., Мешалкин В.П. Анализ и синтез химико-технологических систем. М., "Химия", 1991.-453 с.

72. Кельцев Н.В. Основы адсорбционной техники. М., Химия, 1984. - 592 с.'

73. Киперман С.Л. Основы химической кинетики в гетерогенном катализе. М., "Химия", 1979.-352 с.

74. Киргинцев А.Н., Трушникова Л.Н., Лаврентьева В.Г. Растворимость неорганических веществ в воде. Л., "Химия", 1972. 248 с.

75. Клир Дж. Системология. Автоматизация решения системных задач. М., "Радио и связь", 1990. - 544 с.

76. Колодкин В.М., Мурин А.В., Петров А.К., Горский В.Г. Количественная оценка риска химических аварий. Ижевск, Издательский дом "Удмурский университет", 2001. - 228 с.

77. Крестов В.А. Термодинамика ионных процессов в растворах. Ленинград, "Химия", 1984.-272 с.

78. Кутателадзе С.С., Накоряков В.Е. Теплообмен и волны в газожидкостных системах. Новосибирск, "Наука", 1984.- 303 с.

79. Кутепов A.M., Мешалкин В.П., Панов М.Я., Квасов И.С. Математическое моделирование потокораспределения в транспортных гидравлических системах с переменной структурой // ДАН, 1996, т.350 ,N 5, с.с.653-654.

80. Лащинкий А.А., Толчинский А.Р. Основы конструирования и расчета химической аппаратуры. Л., "Машиностроение", 1970.- 752 с.f

81. Левин А.И. Теоретические основы электрохимии. М., ГНТИ Литературы по черной и цветной металлургии, 1963.- 433 с.

82. Лидии Р.А., Андреева Л.Л., Молочко В.А. Константы неорганических веществ. М., "ДРОФА", 2006. - 685 с.

83. Лидин Р.А., Андреева Л.Л., Молочко В.А. Химические свойства неорганических веществ. М., "химия", 2000. - 480 с.

84. Лоренц Г.А. Статистические теории в термодинамике. Ижевск, НИЦ "Регулярная и хаотическая динамика", 2001. - 192 с.

85. Математическое моделирование химических реакторов. Под ред. Акад. Мар-чук Г.И.- Новосибирск: Наука, 1984, 170 с.

86. Мембранные процессы разделения. Под редакцией Дытнерского Ю.И. М., "Химия", 1981.-464 с.

87. Ногин В.Д. Принятие решений в многокритериальных среде: количественный подход. М., "ФИЗМАТЛИТ", 2004. - 176 с.

88. Мешалкин В.П. Экспертные системы в химической технологии. М.,"Химия", 1995. 357 с.

89. Михайлов Ю.Б. Математические основы повышения точности прогнозирования количественных характеристик процессов. М., Научтехлитиздат, 2000. -206 с.

90. Ньюмен Дж. Электрохимические системы. М.,"Мир", 1977. - 464 с.

91. Панченков Г.М., Лебев В.П. Химическая кинетика и катализ. М., "Химия", 1985. - 592 с.

92. Подиновский В.В. , Ногин В.Д. Парето-оптимальные решения многокритериальных задач. М., "Наука", 1982. -255 с.

93. Практикум по прикладной электрохимии. Под редакцией В.Н. Варыпаева, Ю.В. Кудрявцева.-Л., "Химия", 1990. -303 с.

94. Пригожин И., Дефэй Р. Химическая термодинамика. Новосибирск, "Наука", 1966.-499 с.

95. Прикладная электрохимия. Под редакцией А.П. Томилова.- М., "Химия", 1984.-262 с.

96. Протасов В.Ф. Экология, здоровье и охрана окружающей среды в России. -М., Финансы и статистика, 1999. 672 с.

97. Пэнтл Р. Методы системного анализа окружающей среды. — М., Мир, 1979. — 216 с.

98. Рабинович В.А., Хавин З.Я. Краткий химический справочник. Л., "Химия", 1978.-392 с.

99. Рамм В.М. Абсорбция газов. М., "Химия", 1976. -656 с.

100. Робинсон Р., Стоке Р. Растворы электролитов. М., Издательство иностранной литературы, 1963. - 647 с.

101. Юб.Романков П. ., Фролов В.Ф. Массообменные проекты химической технологии. Л., Химия, 1990. - 384с.

102. Скрипник В.А., Федоровская Л.Ф., Кравецкий Л.И., Уманская И.М. Механизм и кинетика окисления ртути хлорсодержащими растворами. Л.: «Наука», Журнал прикладной химии, 1979, 52:1233-1237.

103. Советов Б.Я., Яковлев С.А. Моделирование систем 3-е изд., перераб. и доп. -М.: Высшая школа, 2001. - 343 е.: ил.

104. Соколов В.Н., Доманский И.В. Газожидкостные реакторы. Л., "Машиностроение", 1976. - 216 с.

105. Статистические методы анализа безопасных сложных технических систем. Под редакцией В.П. Соколова. М., "Логос", 2001. - 232 с.

106. Страус В. Промышленная очистка газов.- М., "Химия", 1981.-616 с.

107. Сухарев А.Г., Тимохов А.В., Федоров В.В. Курс методов оптимизации. М., ФИЗМАТЛИТ, 2005. - 368 с.

108. Уэйлес С. Фазовые равновесия в химической технологии. Часть 1. М., Мир, 1989.-304 с.

109. Уэйлес С. Фазовые равновесия в химической технологии. Часть 2. М., Мир, 1989.-360 с.

110. Федотьев Н.Н., Алабышев А.Ф., Рогинян А.Л., Вячеславов И.М., Животин-ский П.Б., Гальнбек Прикладная электрохимия. Л., Государственной научно-техническое издательство химической литературы, 1962. - 642 с.

111. Физико-химические процессы в газовой динамике. Под редакцией Г.Г. Черного, С.А. Лосева. М., Научно-исследовательский центр механики, 2002.368 с.

112. Физическая химия. Под редакцией К.С. Краснова. М., "Высшая школа", 2001.-319 с.

113. Человеческий фактор. Под ред. Г.Салвенди. В шести томах. Т. 3. Моделирование деятельности, профессиональное обучение и отбор операторов (Часть 1 Моделирование психической деятельности). М.: "Мир", 1991. - 487 с.

114. Щукин А.А. Промышленные печи и газовое хозяйство заводов. М., "Энергия", 1973.-224 с.

115. Экологическая химия. Пер. с нем. / Под ред. Ф.Корте. М., Мир, 1996. - 396 с.

116. Юкельсон И.И. Технология основного органического синтеза. М., "Химия", 1968.- 848 с.

117. Якименко Л.М. Производство хлора, каустической соды и неорганических продуктов. М., "Химия", 1974. - 600 с.

118. Якименко Л.М. Электродные материалы в прикладной электрохимии. М., "Химия", 1977.-264 с.

119. Абдрахимов Ю.Р. Технико-экологические аспекты производства каустической соды и хлора / Абдрахимов Ю.Р., Мотин В.В. // Уралэкология природные ресурсы- 2005: материалы Всерос. науч.-практ. конф. Уфа — М., 2005. -С.243-245.

120. Мотина Н.Н. Эколого-экономическое моделирование на предприятии / Мо-тина Н.Н., Мотин В.В. // Мировое сообщество: проблемы и пути решения: сб. науч. ст. Уфа: Изд-во УГНТУ, 2007. - №22. - С. 68-70.

121. Мотин В.В. Управление эмиссией вредных веществ на примере проблемы загрязнения окружающей среды ртутью и ее соединениями / Мотин В.В., Абдрахимов Ю.Р., Мотина Н.Н. // Экология, наука, инновации: материалы регион. конф. Уфа, 2008. - С.73-78.

Информация о работе

Мотин, Владислав Владимирович
кандидата технических наук
Уфа, 2009
ВАК 03.00.16

Диссертация

Повышение экологической безопасности производства каустической соды снижением эмиссии ртути в окружающую среду - тема диссертации по биологии, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы