Междисциплинарный подход к оценке экологической безопасности теплоэнергетических предприятий

МЕЖДИСЦИПЛИНАРНЫЙ ПОДХОД К ОЦЕНКЕ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПРЕДПРИЯТИЙ

© Бахов Ж.К.*, Орымбетов Э.М., Бекболатов Г.Ж.

Южно-Казахстанский государственный университет им. М. Ауэзова, Республика Казахстан, г. Шымкент

Рассматривается проблема влияния теплоэнергетических предприятий на окружающую среду. Для оценки величины такого воздействия предлагается использовать междисциплинарный подход с использованием математического моделирования, системного анализа, термодинамики.

Ключевые слова: теплоэнергетические предприятия, экологические проблемы, оценка техногенной нагрузки, эксергетический анализ.

Деятельность любого промышленного предприятия с позиций термодинамики сопровождается крупномасштабным материальным и энергетическим обменом с окружающей природной средой. К таким промышленным объектам относятся и теплоэнергетические предприятия. В процессе энер-гоомассообмена в атмосферу попадают продукты сгорания топлива, в атмосферу - токсичные выбросы, в гидросферу - сточные воды, а при сжигании твердого топлива в литосферу попадают твердые золошлаковые отходы. Техногенное влияние на окружающую среду имеет место почти во всех стадиях иерархии топливно-энергетического комплекса, но наибольшая опасность исходит из источников сжигания углеводородного топлива.

Основными факторами воздействия теплоэнергетических предприятий на гидросферу являются выбросы теплоты, следствиями которых могут быть: локальное постоянное повышение температуры в водоеме, временное повышение температуры воды, изменение зимнего гидрологического режима, условий паводков, а также распределения осадков, испарений и туманов. Наряду с нарушением климата тепловые выбросы приводят к зарастанию водоемов водорослями, нарушению кислородного баланса, что создает угрозу для водных экосистем, в том числе жизни обитателей рек и озер [1].

Влияние на литосферу проявляется в осаждении на её поверхности твердых частиц и жидких растворов - продуктов выбросов в атмосферу, потребление ресурсов литосферы. Следствием этих преобразований является изменение ландшафта. В окружающую среду с подогретой водой и горячими газами рассеивается более 60 % исходной энергии топлива. Это является характерным показателем используемых в настоящее время термодинамических циклов теплоэнергетических предприятий.

* Профессор кафедры «Биотехнология», доктор технических наук.

Экологические проблемы теплоэнергетических предприятий в настоящее время стали настолько масштабными и разноплановыми, что изучить их с помощью отдельной отрасли науки, стало невозможным. Поэтому их исследование все чаще проводится на стыке физики, химии, химической инженерии, экологии, прикладной математики и других наук [2]. В условиях недостаточной научной обоснованности и несовершенства методологической базы, объективная оценка величины техногенной нагрузки промышленных объектов на окружающую природную среду становится весьма актуальной задачей.

Нами предлагается методология оценки и анализа влияния теплоэнергетических предприятий на окружающую среду, основанная на эксергетиче-ском методе термодинамического анализа, которая позволяет вскрыть структуру исследуемой вещественно-энергетической совокупности взаимосвязанных составляющих объектов. Научные разработки и оптимизационные технологические решения направлены на сокращение потерь эксергии с отходами, стоками и выбросами в окружающую среду [3].

Практическая значимость исследований определяется тем, что в целях интенсификации и оптимизации процессов выработки тепловой и электрической энергии в плане повышения энергоэффективности и охраны окружающей среды принимаются решения по снижению расхода природных ресурсов и сокращения выбросов в окружающую среду. Здесь целевой функцией является суммарный расход эксергии на единицу продукции. Располагая величинами удельных денежных и эксергетических затрат, можно провести оптимизацию производства посредством изменения технологии и конструкций аппаратов, основанной на минимуме целевых функций.

Предлагаемая методология, основанная на системном анализе, позволяет решить проблему оптимальности посредством поиска оптимума функции по выбранному критерию оптимизации. Такими критериями могут служить технологический (максимальная производительность) или экономический критерии (минимальная стоимость продукта). Дополнение системного анализа эксергетическим методом термодинамического анализа [4] позволяет получить универсальный метод оценки степени опасности потоков, направленных из технической подсистемы в окружающую среду. При этом для количественного определения техногенной нагрузки определяется суммарная эксергия, отнесенная к единице площади или объема природной среды в единицу времени. Суммарная природоемкость рассчитывается как величина эксергии центростремительных и центробежных потоков, а за функцию техногенной нагрузки принимается реакция природной среды, проявляющаяся в росте энтропии. В качестве индикатора отклика природной среды рассматривается изменение энтропии единицы объема среды.

При выполнении инженерно-экологического анализа сначала составляются балансовые уравнения для каждого элемента, на основании которых

выполняются эксергетические расчеты и оценивается не только термодинамическая эффективность данного элемента, но и величина потоков, направленных из данного элемента в окружающую среду. Суммарное значение таких потоков для всей технологической системы в соответствии с законом Гюи-Стодолы позволяет определить потери эксергии в системе «Теплоэнергетическое предприятие - окружающая среда»:

О = Т X <

где Б - суммарная потеря эксергии в системе;

Т0 - температура окружающей среды;

- увеличение энтропии в процессе проведения процесса в /-ом элементе системы.

В работе [5] на основании известного вектора Умова-Пойтинга для плотности потоков энергии (уравнение 2) составлен ее аналог для плотности потоков эксергии (уравнение 3), отличающийся в слагаемых, представленных потоками вещества и энтропии:

8 = Ф]Ч +У]Р + 0]т + ТI

+Чр + О^т +

где ф - электрический потенциал;

V - скорость движения;

О - химический потенциал - функция Гиббса;

Ое - эксергетическая функция Гиббса;

Т - температура;

- плотность электрического тока;

]р - плотность потока импульса;

]т - плотность потока вещества;

- плотность потока энтропии;

д - вектор Умова-Пойтинга для плотности потока энергии;

де - вектор Умова-Пойтинга для плотности потока эксергии.

Здесь потоки эксергии, в отличие от потоков энергии, зависят от параметров окружающей среды, в частности, в связи с ростом энтропии в реальных процессах из-за обобщенного трения, поток эксергии уменьшается. Такую закономерность наглядно показывают построенные по принципу Грассмана диаграммы потоков эксергии, которая дает важную информацию о степени термодинамического совершенства технологических процессов и потоках, направляемых в природную подсистему. По полученным интегральным показателям можно принять оптимизационные решения.

Потоки отходов, поступающие в природную подсистему, имеют тепловую и химическую составляющие энергии и эксергии. Первая из них быстро рассеивается и стремится равновесному с окружающей средой состоянию [6]. Тепловая энергия (1д) определяется на основе выведенных в отраслях расчетных формул, а тепловая эксергия (Ед) по следующим формулам. При постоянной температуре потока:

Т - Т

Ед =

где Т и То - температуры теплового потока и окружающей среды, соответственно.

При переменной температуре потока эксергия равна:

2 8—

Е = Л - Т = -

1 т

где 4 - уменьшение энтропии горячего источника при переходе из состояния 1 в состояние 2.

Что же касается химической составляющей энергии, то она может проявляться как сразу после поступления отходов в природную среду, так и в течение длительного времени их контакта с атмосферными осадками, грунтовыми водами, при реакции с горными породами или при включении в трофические цепи. Химическая энергия и эксергия веществ рассчитываются по их минералогическому и химическому составу по формулам [7]:

— = > и .1° и К = > и в0

X ^ ] х1 X ^ ] Х1

] ]

где ц - доля ¡-го химического элемента или соединения в единице рас-

сматриваемого материала; соответственно, удель го элемента (соединения).

е°Х] - соответственно, удельная химическая энергия и эксергия ¡-

При оценке эффективности энерготехнологических процессов методом эксергетических балансов отображается равенство подведенной к системе эксергии и отведенной от нее эксергии и потерь.

Эксергетический анализ проводится в следующей последовательности:

- рассматриваемая система (или ее часть) мысленно отделяется некоторой замкнутой контрольной поверхностью от других объектов;

- выбираются параметры окружающей среды (давление и температура), при анализе открытых систем необходимо знать также и состав окружающей среды, принимаемой для начала отсчета;

1°

- проводится оценка совершенства рассматриваемой системы, определяется эксергетический КПД системы и отдельных ее элементов, оцениваются относительные эксергетические потери.

Для составления эксергетического баланса необходимо знать: технологическую схему производственного процесса со всеми входящими и выходящими потоками вещества и энергии, термодинамические параметры потоков вещества и энергии, материальные и энергетический балансы. Эксер-гетический КПД представляет собой отношение полезно усвоенной эксер-гии к затраченной и определяется по формуле:

п = F / Е • 100 =

Чэкс ^пол ' ^затр У^затр ^пот} ' ^затр J-v/v у/;

где пэкс - эксергетический КПД (%); Епол - полезно усвоенная эксергия; Езатр - затраченная эксергия; Епот - потери эксергии.

Условие повышения энергетической эффективности технологического процесса может быть сформулировано в виде dnxJdt < 0, т.е. энергоэффективность растет при увеличении эксергетического КПД системы.

В целом, эксергетический метод термодинамического анализа в сочетании с принципами системного анализа позволяет не только выявить пути повышения эффективности энерготехнологических процессов, но и усовершенствовать методологию оценки величины техногенной нагрузки на окружающую природную среду.

Список литературы:

1. Новиков Ю.В. Экология, окружающая среда и человек. - М.: ФАИР-Пресс, 2005. - 736 с.

2. Охота С.В., Богатиков В.Н., Пророков А.Е., Кириченко А.Э. Использование междисциплинарного подхода в моделях управления технологической безопасностью // Управление безопасностью природно-промышленных систем. - Апатиты, 2007. - Вып.У!. - С. 16-19.

3. Бахов Ж.К., Бишимбаев В.К. Энергетический базис экологической безопасности промышленных технологий // Сб. науч. тр. «Проблемы преобразования и регулирования региональных социально-экономических систем». - СПб.: НИИ Региональной экономики РАН, 2006. - С. 387-403.

4. Бахов Ж.К., Бишимбаев В.К., Воробьев О.Г. Методологические принципы энергетической оценки опасности промышленных отходов // Доклады национальной академии наук Республики Казахстан. - 2004. - № 5. - С. 103-108.

5. Шамшин А.В. Инженерно-экологический анализ взаимодействия плавучего атомного энергоблока с окружающей средой: дисс. ... канд. техн. наук. - СПб., 2011. - 168 с.

6. Степанов В.С., Старикова Н.В. Эксергетический анализ термодинамической эффективности теплоэлектроцентрали и ее подсистем // Вестник ИрГТУ - 2012. - № 3 (62). - С. 95-101.

7. Степанов В.С., Степанова Т.Б. Оценка негативного воздействия технических объектов на окружающую среду методами термодина-мического анализа // Промышленная энергетика. - 2010. - № 2. - С. 48-56.

CHOICE OF SURFACE-ACTIVE SUBSTANCES FOR GRINDING STONE ARTICLES

© Derkachev I.S.*, Dmitrienko N.A.*, Adigamov K.A.*

Institute of service and entrepreneurship (branch) Don state technical university, Shakhty

Now we use a wide range of granite products such as, marble, artificial marble and ceramic marble in performing different construction and finishing works. The most expensive and labor-intensive process is considered to be the process of stone grinding. To decrease the most expenses it is necessary to develop new technologies, create the innovative tools, and introduce new ways leading to the process of intensification of stone grinding. The most intensive way is considered to be the application of surface-active substances.

Keywords: grinding, surface-active substances, micro cracks, adsorptive layers, molecules, ions, processed stone.

In civil engineering, municipal services and in performing repair constructing operations the products of granite, marble, artificial marble, ceramic marble are widely spread and used owing to its relative low cost, good consumer properties, to a wide circulation and high decorative qualities. They can be used as the main construction material for engineering building, finishing articles for internal rooms and facades of buildings, in monumental construction as art decorative materials, and also in landscaping decoration design.

In the modern stone grinding industry the processes of producing decorative and art products, facing plates for walls and columns building facades, floor plates and other construction materials are supposed to be the most labor-intensive and long processes as stone processing consists of dozen passes and steps using a lot of abrasive tools.

* Аспирант кафедры Прикладной механики и конструирования машин.

* Преподаватель кафедры Иностранных языков, к.п.н., доцент.

" Заведующий кафедрой Прикладной механики и конструирования машин, доктор технических наук, профессор.