От экологически ответственного хозяйствования к сохранению водных и энергетических ресурсов

Аннотация

Е. А. Семенова, М.Ф. Маршалкин, С. Г. Саркисова

Дата поступления статьи: 20.05.2014

Описана суть работы, проведенной на производстве аммофоса (Гидрометаллургический завод,  г. Лермонтов),    целью  которой  являлось выявление резервов экономии энергетических и природных ресурсов. Объектом приложения в исследовании  выбран энергоемкий узел в технологической цепи – узел выпарки аммонизированной пульпы. Реализацией  технического решения в части исполнения герметизирующего устройства  насосов ,установленных на  линии  циркуляции аммонизированной пульпы, достигается уменьшение нагрузки  по упариваемой воде на 75%, что  ведет далее ,по технологической  цепочке, к сокращению  расхода теплоносителя на выпарку и экономии питьевой воды, являющейся сырьем для производства теплоносителя.
Эколого-экономическая эффективность  от реализации предлагаемого  решения подтверждается расчетом ожидаемых технико-экономических показателей, выполненным  на основании данных, наработанных  в ходе  мониторинга: экономия теплоносителя - 3039 Гкал/г; 2430 т.р./г; экономия питьевой воды- 11477 т/г

Ключевые слова: аммофос, выпарка, теплоноситель, питьевая вода, экономия, рациональное природопользование , сальниковое уплотнение, торцевое уплотнение

25.00.27 - Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

Экологически безопасное состояние природно-технической системы (ПТС) находится в функциональной зависимости от антропогенной нагрузки на окружающую среду. Экологические показатели промышленной деятельности по Российской Федерации на сегодняшний день обуславливают кризисное состояние ПТС и, как следствие,  нестабильное  социально-экономическое развитие страны [1, 2]. Очевидно, что переход России к устойчивому развитию находится в прямой зависимости от  решения важнейших экологических проблем, разумного сочетания экологической и экономической составляющих государственной политики. Указанное приобретает транснациональное значение, если учесть ключевую роль России в поддержании глобальных функций биосферы ввиду обширности ее территорий, занятых различными природными экосистемами, представляющими значительную часть биоразнообразия  Земли. Таким образом, масштабы природно-ресурсного, интеллектуального и экономического потенциала Российской Федерации обуславливают ее  важную и ответственную роль в решении глобальных экологических проблем.
На нынешнем  этапе развития техносферы, при возрастающем воздействии антропогенной нагрузки на биосферу, становится неоценимым осознание реальностей  и тенденций, установившихся в отношениях человека с окружающей средой и определяющих, в частности, степень  цивилизации этих отношений, т.е. степень соответствия экономических целей современным экологическим нормативам, соблюдение которых обеспечивает охрану окружающей среды и, следовательно, человека.
Одной из важнейших экологических проблем современности является проблема рационального использования энергоресурсов  и природных ресурсов, а, следовательно, и сохранения природных ресурсов.
Россия обладает одним из самых высоких потенциалов в мире по такому стратегически важному природному ресурсу как водный потенциал. Однако, нерациональное использование питьевой воды, в частности, использование ее на технологические нужды промышленных предприятий, а также истощение ресурсов подземных и поверхностных вод, связанное с результатами антропогенной деятельности, обуславливает возрастающий дефицит качественной питьевой воды. Очевидно, что сохранение в дальнейшем существующей тенденции в использовании питьевой воды на технологические нужды в совокупности со сложившейся ситуацией истощения природных питьевых ресурсов чревато экологической катастрофой, грозящей жизнедеятельности живого компонента экосистемы
Таким образом, при сложившихся  экологических реалиях  невозможно переоценить значение рационального использования природных и энергетических ресурсов в жизнедеятельности биосферы. Отправными объектами в решении задач, связанных с рациональным природопользованием, являются энергоемкие промышленные предприятия, экологическая деятельность которых должна базироваться на осознании того, что на пути достижения стратегической цели имеют значения любые, даже незначительные  по масштабам, достижения в области экономии потребляемых ресурсов.
В  зависимости  от обозначенной глобальной экологической задачи выстраиваются тактические задачи в направлении рационального использования энергетических и природных ресурсов, которые и поставлены во главу угла исследовательской работы специалистов Северо-Кавказского Федерального Университета.
В соответствии с тематикой исследовательской работы проведен  мониторинг конкретного промышленного объекта, задачей которого являлось выявление резервов экономии энергетического ресурса (пара высокого давления) и природного ресурса (питьевой воды), используемого на технологические нужды. Объектом приложения в  работе выбрано энерго-ресурсоемкое производство химической промышленности, производство аммофоса на Гидрометаллургическом  заводе г. Лермонтова.
Аммофос – удобрение сложного комплексного соединения азота и фосфора, основным веществом которого (до 90%) является  моноаммоний фосфат, NН₄Н₂РО₄, и примесь (до 10%) диаммоний фосфата, (NН₂)₂НРО₄. Технологический процесс производства аммофоса состоит из следующих шести стадий [3 - 9]:

• получение  экстракционной фосфорной кислоты (ЭФК) из апатитового сырья;
• нейтрализация фосфорной кислоты аммиаком;
• упаривание аммонизированной пульпы (пульпы аммофоса);
• грануляция и сушка аммофоса;
• рассев и доизмельчение аммофоса;
• погрузка продукции в железнодорожные вагоны

Стадиями технологического процесса, определяющими качество вырабатываемой продукции, являются получение ЭФК, нейтрализация  ЭФК и упаривание пульпы аммофоса.
Проведенным экологическим мониторингом технологии производства аммофоса выявлено «узкое» место в технологической схеме, с точки зрения использования природных и энергетических ресурсов – это стадия упаривания аммонизированной пульпы.
Процесс выпарки воды из пульпы аммофоса осуществляется на выпарной установке, состоящей из восьми последовательно соединенных между собой секций [10, 11]. Процесс упаривания – энергоемкий, ведется с помощью теплоносителя,  расход которого составляет в среднем 5 т/ч. Сырьем для производства теплоносителя служит питьевая вода.

Рис.1 – Схема  секции выпарной  установки
1 – сепаратор; 2 – выносная греющая камера; 3 – центробежный насос с сальниковым уплотнением; 3а – центробежный насос с торцевым уплотнением.

В  установленных на циркуляции пульпы центробежных насосах   (рис.1, поз.3) герметизирующим устройством между подвижной и неподвижной деталями  служит сальник – представляющий собой мягкую набивку,  изготавливаемую из таких материалов как асбест, фетр, резина и др., характеризующихся низкой теплопроводностью [12]. Для отвода тепла, предотвращения перегрева двигателя насоса и обеспечения безаварийной работы насосов необходимо постоянное охлаждение сальниковой набивки, для чего на насосы подается охлаждающая вода. Далее охлаждающая вода вместе с пульпой поступает в выпарную колонну на выпарку воды. Таким образом, нагрузка выпарной  колонны по упариваемой воде увеличивается на соответствующее количество охлаждающей воды, подаваемой на насосы, что, в свою очередь, ведет к необходимости увеличения подачи пара на процесс выпарки. Очевидно, что расход дополнительного количества теплоносителя на выпарную колонну влечет за собой соответственное увеличение потребности в сырье (питьевой воде) для его выработки.
Результатами проведенного мониторинга выявлено опосредованное влияние конструктивной  особенности герметизирующего устройства передаточной машины на важнейший показатель экологичности технологического процесса – ресурсосбережение.
Реализацией технического решения в части исполнения герметизирующего устройства насосов, а именно, заменой насосов с  мягкой сальниковой набивкой на насосы с торцевым металлическим уплотнением,  (рис.2.), достигается уменьшение нагрузки по упариваемой воде на 75% за счет уменьшения подачи охлаждающей воды на насосы. Последнее   объясняется высокой теплопроводностью металлов, что обеспечивает необходимый отвод тепла  меньшим объемом хладагента. Таким образом, уменьшение  нагрузки на процесс выпарки воды ведет далее, по технологической цепочке, к сокращению расхода теплоносителя  и экономии питьевой воды.

Рис 2. – Торцевое  уплотнение
1 – вал насоса; 2 – вращающаяся обойма; 3 – нажимное кольцо; 4 – вращающееся кольцо пары трения; 5 – неподвижное кольцо пары трения;
6 – неподвижная обойма; 7 – коническое уплотнительное кольцо; 8 – пружины.

В целях наработки практических данных временно, на период проведения мониторинга, была осуществлена обвязка дополнительного  циркуляционного насоса с торцевым уплотнением (рис.1, поз. 3а) по байпасной  (обводной) линии на последней, по ходу технологической цепочки, 8-й секции выпарной установки. Байпасная линия  на рис.1 изображена пунктирной линией. Резервный насос был переброшен  с участка производства экстракционной фосфорной кислоты.
Эколого-экономическая эффективность  от реализации предлагаемого  решения, то есть экономия теплоносителя – пара высокого давления и стратегического природного ресурса – питьевой воды, подтверждается расчетом ожидаемых технико-экономических показателей, выполненным  на основании данных, наработанных в ходе мониторинга.
Для выполнения поставленной задачи, а именно,  выявления  на конкретном промышленном объекте резервов экономии теплоносителя  и питьевой воды, используемой на технологические нужды, были сняты показатели  работы одной из секций выпарной установки в 2-х вариантах:
а) при работе циркуляционного насоса с сальниковым уплотнением и б) при работе циркуляционного насоса с торцевым уплотнением. На основе полученных данных был произведен расчет по всей выпарной установке.
Полученные  исходные  данные  и результаты расчета сведены в таблицу №1.
Принятые обозначения в расчете:
V₁     –  объем аммонизированной пульпы , подаваемой на выпарку;
С_в¹ –  содержание воды в объеме V₁ пульпы;
С_с ¹  – содержание суспензии  в объеме V₁ пульпы;
V₂    – объем пульпы (упаренной) на выходе из выпарной установки:
С_в²  – содержание воды в объеме V₂ пульпы;
С_с.²  – содержание суспензии в объеме  V₂ пульпы;
V_о.в – объем охлаждающей воды на насосы;
V_уп.в – объем упариваемой воды;
Gп¹– расход теплоносителя на выпарку воды до реализации мероприятия ;
Gп² – расход теплоносителя на выпарку воды после реализации мероприятия;
DG_п – экономия теплоносителя;
DV_пв – экономия питьевой воды
DV_ох.в – экономия охлаждающей воды на насосы;
1. Содержание воды в пульпе, подаваемой на выпарку
С_в¹= V₁ ×0,5     , где:
V₁  - 30м³/ч;   0,5 - доля воды ( 50% )в объеме V₁  пульпы
С_в¹=15м³/ч
2.  Содержание суспензии в пульпе, подаваемой на выпарку
С _с. ¹= V₁ × 0,5   , где:
0.5-доля суспензии  (50%) в объеме V1
С _с. ¹=15м³/ч
3. Объем  упаренной пульпы, V₂ (на выходе из выпарной установки) определяется, исходя из соотношения в ней воды и суспензии
V₂= С_с.¹ ×100/75 =20 м³/ ч   , где:
75 – доля суспензии в упаренной пульпе,%
4.  Содержание воды в упаренной пульпе
С_в² = V₂ ×25/100 =5 м³/ ч   , где
25 – доля воды в упаренной пульпе , %,
5.Содержание суспензии в упаренной пульпе
С_с.²= V₂ ×5/100= 15 м³/ ч  
6.  Объем упариваемой воды
V_уп.в. = 15-5 = 10 м³/ ч 
7. Объем охлаждающей воды на сальники насосов
V_о.в  = 0,2×8 = 1,6 м³/ ч  , где
0,2 - расход  воды на 1 насос, м³/ ч
8 – количество насосов, находящихся в работе
8.Расход пара на выпарку всего объема воды, т.е., с учетом охлаждающей воды, подаваемой на сальниковые насосы:
G_п¹ = (10 + 1,6) × 0,45= 5,22 т/ч  ,где:
0,45 – расход пара на выпарку 1 м³  воды, т
9.Объем охлаждающей воды, подаваемой на  насосы с торцевым уплотнением
V_о.в  = 8×0,05= 0,4 м³/ ч,  где:
0,05- расход  воды на 1 насос, м³/ ч
10.Расход пара на выпарку всего объема воды т.е., с учетом охлаждающей воды, подаваемой на насосы  с торцевым уплотнением
G_п² = (10+ 0,4) .0,45 = 4,68 т/ч 
11. Экономия пара
ΔG_п=  Gп¹ - Gп²
ΔG_п=5,22-4,68= 0,54 т/ч;   4342,0 т/г; 3039 Гкал/г.
Экономия в денежном выражении: 3039 . 800 =2431,2,0 т. р., где:
800 - стоимость 1 Гкал, руб. (Постановление региональной тарифной комиссии Ставропольского края  № 77/5  от 18 декабря 2013г.  Ставропольская правда № 357 - 358 - Ставрополь, 2013. - с. 8.)
12 Экономия питьевой  воды, ΔV_п.в
12.1.экономия от сокращения расхода теплоносителя:
3039×0,6= 1823 м³/ г, где:
0,6 – расход воды, м³, на выработку 1 Гкал пара  [13, 14]
12.2 экономия от сокращения охлаждающей воды, подаваемой на насосы
1,6-0,4=1,2 м³/ ч;  9648 м³/г
ΔV_п.в=1823 + 9648=11477 м³/г; 11477 т/г
Экономия в денежном выражении: 9648×45= 434 т.р, где:
45 – стоимость 1 м³ воды (Постановление региональной тарифной комиссии  Ставропольского  края № 77/3 от 18 декабря 2013 г.  Ставропольская правда № 357 - 358 - Ставрополь, 2013. - с. 7 – 8.)

Таблица №1
Сравнительные показатели работы выпарной установки

Как видно из расчетов,  результатом реализации технического решения  является существенный годовой доход предприятия за счет экономии энергоресурса – 2431,0 т.р. Относительно  показателей  по питьевой воде  необходимо отметить, что денежный   эквивалент достигаемого эффекта в 434,0т.р от экономии стратегического природного ресурса   не соответствует неоценимой  экологической значимости этого эффекта, годовой экономии в натуральном исчислении 11477 т.
Реализация  разработанного эколого-технологического мероприятия не только не влечет за собой  усложнения технологического процесса производства продукции, но и обеспечивает высвобождение мощностей узла выпарки за счет снижения нагрузки по теплоносителю, что позволит, при необходимости, увеличить загрузку по сырью и тем самым еще более повысить степень ресурсосбережения.
Вопрос сокращения, а в идеале, исключения питьевой воды из производственных процессов, является жизненно важным для сохранения биосферы и гармоничного сосуществования ее с техносферой. Поэтому, мы не вправе при  решении глобальных экологических задач, определяющих дальнейшее существование человеческого сообщества, к которым относятся, в первую очередь, вопросы рационального природопользования,  отдавать предпочтения экономическим целям в  решении насущных вопросов промышленной  экологии.
Изложенная в статье  практическая работа может служить для заинтересованных хозяйствующих субъектов ориентиром в поиске  резервов экономии природных и энергетических ресурсов.

Литература:

1. Заграничный К.А. К вопросу об источниках и объемах поступления нефтяных компонентов в акваторию Черного моря [Электронный ресурс]  // «Инженерный вестник Дона», 2014, №1. – Режим доступа: http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n1y2014/2300 (доступ свободный) – Загл. с экрана. – Яз. рус.
2. Молев М.Д., Занина И.А., Стуженко Н.И. Cинтез прогнозной информации в практике оценки эколого-экономического развития региона [Электронный ресурс]  // «Инженерный вестник Дона»,  2013, №4 . – Режим доступа: http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n4y2013/1993 (доступ свободный) – Загл. с экрана. – Яз. рус.
3. Позин, М.Е. Технология минеральных солей (удобрений, пестицидов, промышленных солей, окислов и кислот). Ч. 1 [Текст] / М.Е. Позин. - Изд. 4-е, испр. - Л.: Химия, 1974. - 792 с.
4. Позин, М.Е. Технология минеральных удобрений: учебник для вузов [Текст] / М.Е. Позин. - Л.: Химия, 1983. - 335 с.
5. Эвенчик, С.Д., Бродский, А.А. Технология фосфорных и комплексных удобрений [Текст] / С.Д. Эвенчик, А.А. Бродский. - М.: Химия, 1987. - 464 с.
6. Бесков, В.С., Сафронов, В.С. Общая химическая технология и основы промышленной экологии: учебник для вузов [Текст] / В.С. Бесков, В.С. Сафронов. - М.: Химия, 1999. - 472 с.
7. Бесков, В.С. Общая химическая технологии: учебник для вузов [Текст] / В.С. Бесков. - М.: ИКЦ Академкнига, 2005. - 452 с.
8. Sergiy Vakal, Eduard Karpovych, Myroslav Malyovannyi and Oleh Stokalyuk «Development of ammophos production technology from algerian phosphorites» [Text] // Chemistry & Chemical technology Vol. 8, No. 1, 2014. - p. 89 - 90.
9. Becker, Pierre. Phosphates and Phosphoric Acid: Raw Materials, Technology and Economics of the Wet Process [Text] // Becker, Pierre. - New York and Basel: Marcel Dekker, INC, 1983. - 585 p.
10.  Тимонин, А.С. Инженерно-экологический справочник. Т.1 [Текст] / А.С. Тимонин. - Калуга: Издательство Н. Бочкарёвой, 2003. - 917 с.
11.  Дытнерский, Ю.И. и др. Основные процессы и аппараты химической технологии: пособие по проектированию [Текст] / Ю. И. Дытнерский, Г. С. Борисов, В. П. Брыков и др.; под ред. Ю. И. Дытнерского. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Химия, 1991. - 496 с. 
12.  Рахмилевич, З.З. Насосы в  химической промышленности: справочное издание / З.З. Рахмилевич. - М.: Химия, 1990. - 240 с.
13. Эстеркин, Р.И. Промышленные котельные установки: учебник для техникумов [Текст] / Р.И. Эстеркин. - 2-е изд., перераб. и доп. - Л.: Энергоатомиздат, 1985. - 400 с.
14.  Шубин, Е.П., Левин, Б.И. Проектирование теплоподготовительных установок ТЭЦ и котельных [Текст] / Е.П. Шубин, Б.И. Левин. - М.: Энергия, 1970. - 496 с.