ДонНТУ   Портал магистров

Чепак Ольга Петровна

Факультет экологии и химической технологии

Кафедра природоохранной деятельности

Специальность Экология горных технологий

Обоснование параметров технологии восстановления биологического разнообразия в выработанных пространствах карьеров с использованием геотермальной энергии

Научный руководитель: к. т. н., доц. Завьялова Елена Леонидовна

Резюме Биография Реферат Библиотека Ссылки Отчет о поиске Индивидуальный раздел

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

• Введение
• 1. Актуальность темы
• 2. Цель, идея работы и задачи исследования
• 2.1. Цель работы
• 2.2. Задачи работы
• 2.3. Идея работы
• 2.4. Основные методы исследования
• 3. Описание предложенного способа
• 3.1. Тепловой расчет
• 3.2. Гидравлический расчет
• Выводы
• Список источников

Введение

Индустрия по производству цемента дает вклад в общемировую эмиссию СО₂, вызванную антропогенными факторами, в размере 5%. Это определяет необходимость осуществления мероприятий по сокращению выбросов парниковых газов в окружающую среду. Кроме того, производство цемента сопряжено с выделением громадного объема аэрозолей и загрязнением сточных вод.

Благодаря значительным запасам полезных ископаемых, расположенных близко к дневной поверхности, развитой индустриальной базе на большинстве предприятий цементной промышленности используют открытый способ разработки полезных ископаемых. Он является наиболее перспективным в технологическом и экономическом отношениях. Вместе с тем на украинских и зарубежных предприятиях недостаточен уровень природоохранных и ресурсосберегающих технологий. Остающиеся после выемки исходного сырья, например, мела или мергеля, выработанные пространства представляют собой лунныйбезжизненный пейзаж – лишенные плодородного почвенного слоя впадины со склонными к эрозионному разрушению бортами. Самопроизвольное восстановление флоры и фауны на этих территориях занимает сотни лет, а иногда остается невозможным [1].

Необходима технология интенсивного восстановления, а возможно улучшения по сравнению с первоначальным состоянием биологического разнообразия на остающихся после выемки полезного ископаемого территориях. С другой стороны, эта технология должна соответствовать требованиям малой затратности и, по возможности, хотя бы частичной окупаемости [2].

1. Актуальность темы

Исследования по установлению параметров теплообмена в системе породный массив – водная среда биоочистного сооружения с целью повышения эффективности извлечения геотермальной энергии и усовершенствование на этой основе технологии восстановления биологического разнообразия в выработанных пространствах карьеров является актуальной научно-технической задачей.

2. Цель, идея работы и задачи исследования

2.1. Цель работы

Целью работы является выбор и обоснование параметров технологии восстановления биологического разнообразия в выработанных пространствах карьеров на основании раскрытия закономерностей теплообмена между породным массивом и водной средой при использовании геотермальных теплообменников в биоочистном сооружении.

2.2. Задачи работы

Для достижения поставленной цели потребовалось решение следующих задач:

1. Рассмотреть существующие технологии восстановления биологического разнообразия в выработанных пространствах карьеров.
2. Провести теоретические исследования закономерностей изменения теплопереноса в системе породный массив-водная среда в биоочистном сооружении.
3. Провести экспериментальные исследования повышения теплопроводности породного массива.
4. Выбрать и обосновать параметры технологии восстановления биологического разнообразия в выработанных пространствах карьеров с использованием геотермальной энергии.
5. Выполнить эколого-экономическую оценку предложенного способа использования геотермальной энергии для восстановления биологического разнообразия в выработанных пространствах карьеров с использованием геотермальной энергии.

2.3. Идея работы

Идея работы заключается в обеспечении оптимального температурного режима жизнедеятельности гидробионтов в биоочистном сооружении путем использования геотермальной энергии.

Объект исследования: низкопотенциальная геотермальная энергия распределенная в породном массиве.

Предмет исследования: термодинамические процессы и условия, определяющие теплоперенос в системе породный массив – водная среда в биоочистном сооружении.

2.4. Основные методы исследования

При выполнении магистерской работы был использован комплексный метод исследования: анализ и обобщение информационных источников, посвященных вопросам использования геотермальной энергии; теоретико-экспериментальные исследования процесса теплопереноса в системе породный массив – водная среда в биоочистном сооружении; эколого-экономический анализ перспективных технологий использования геотермальной энергии для восстановления биологического разнообразия в выработанных пространствах карьеров с использованием геотермальной энергии.

3. Описание предложенного способа

Ускорить процесс формирования биогеоценоза в выработанных пространствах карьеров можно только создав для этого необходимые гидрогеологические условия. Вода является основой для формирования и развития живых форм материи. Авторами предложен способ, позволяющий ускорить восстановление биологического разнообразия в выработанных пространствах карьеров путем очистки атмосферы и гидросферы, возрождения флоры и фауны на основе круглогодичного управления состоянием потоков карьерных вод за счет использования геотермальной энергии.

Основной водоприток в карьер происходит из водоносного горизонта, который показан с левого борта карьера (рис.1). Выработанное пространство схематично представлено в виде прямоугольника. В центре выработанного пространства располагается основная дамба, сооружаемая из железобетона или насыпная, из не склонных к размоканию материалов, например из кусков песчаника, известняка, отработанных автомобильных скатов, строительных или других отходов четвертого класса [3].

Основная функция дамбы – разделить дно карьера для придания кругового движения водному потоку, тем самым увеличив расстояние течения воды и обеспечив продолжительность её физической и биологической очистки. Для увеличения длительности прохождения воды через выработанное пространство, тем самым увеличения степени очистки воды, созданы вспомогательные дамбы, разделяющие верхнюю и нижнюю часть карьера. Вспомогательные дамбы расположены в шахматном порядке. В областях расположения дамб предусмотрено образование болотистой среды с обильной растительностью. Основой дамбы будут служить бетонные блоки или каменистые насыпи из не склонных к размоканию горных пород, перекрытые слоем чернозёма. Для минимизации эрозии и вымывания почвы поверхности дамб заселяется растениями [4].

Для круглогодичной очистки воды по руслу водотока справа и слева от вспомогательных дамб предлагается пробурить скважины глубиной 50–100 м, располагая в них вертикальный скважинный теплообменный коллектор типа труба в трубе. Вода из водоносного горизонта через конфузор попадает в межтрубное пространство и за счет скоростного напора движется вниз по трубе. По мере продвижения происходит теплообмен между стенкой металлической трубы с температурой вмещающих пород и водным потоком, в результате чего температура воды становится близкой температуре окружающих горных пород, составляющей в условиях Донбасса 12–15 °С. В нижней части трубы поток, за счет скоростного напора, меняет направление на 180° и поднимается по внутренней пластиковой трубе на поверхность [5].

В результате в холодный период года вода будет подогреваться за счет геотермальной энергии, а в жаркий охлаждаться. Нагрев воды до необходимой температуры поддержание этой температуры круглый год позволит создать комфортные условия для жизнедеятельности гидробионтов круглогодично [6].

3.1. Тепловой расчет

Принимаем следующую схему однотрубного геотермального теплообмена (рис. 2). Коаксильный теплообменник включает в себя скважину с помещенным в неё стальным цилиндрическим кожухом диаметром D, закрытым снизу. В этом кожухе коаксильно размещена труба из специального плохо проводящего тепло материала (например, пластик), диаметром d, открытая снизу. Вода, опускаясь по кольцевому каналу вниз, нагревается земным теплом. Нагретая вода поднимается по внутренней трубе вверх на поверхность земли.

Такая конструкция является экологичной, поскольку структура глубинного грунта не затрагивается. Очевидно, что от поверхности земли до некоторой глубины окружающие слои земли будут холоднее, чем вода, и будет происходить потеря тепла. Для предотвращения этой потери необходима частичная теплоизоляция стального кожуха. На оставшейся части длины коллектора пространство между стенкой скважины и поверхностью кожуха заполняется для улучшения теплообмена глино-графитной смесью, теплопроводность которой выше теплопроводности вмещающих пород.

Принимаем следующие допущения:

1. Теплообменом между слоями воды вдоль оси z пренебрегаем.
2. Теплообменом через внутреннюю трубу пренебрегаем, т.е. считаем температуру нагретой воды постоянной, Т₂ = const.
3. Температура внешней поверхности скважины является постоянной и равной температуре грунта Т_г, соответствующей глубине бурения.
4. Температура грунта является постоянной (восстанавливается за счет геотермальной энергии).

В соответствии с этими допущениями задача теплообмена является стационарной.

Принимаем для расчета следующие данные:

Т_го = 10,1 °С; – температура поверхности земли;

Т₁ = 7 °С; – температура воды на входе в теплообменник;

Т₂ = 12 °С; – температура воды на выходе из теплообменника;

Т_г = 15 °С – средняя температура вмещающих горных пород;

D = 100 мм, d = 50 мм – эквивалентный диаметр канала;

1000 кг/м³ – плотность воды;

С = С_рв = 4,187 КДЖ/кгК – удельная теплоемкость воды при постоянном давлении;

0,02 м – толщина слоя теплоизоляции (пеностекло) на участке.

Толщина стенки стального кожуха – 30 мм; 24,4 Вт/мК (сталь 4Х13, нержавеющая). Коэффициент теплоотдачи от внутренней стенки кожуха к воде 4652 Вт/мК.

Коэффициент теплопередачи от грунта к воде на участке:

Для увеличения коэффициента теплопроводности заполняем пространство между кожухом и массивом глино-графитной смесью с концентрацией графита 50 %, толщиной глинографитной смеси 10 мм [7].

Среднесуточный расход воды в карьере Q = 660 м³/сут. Принимаем следующие допущения. Вода проходит по дну карьера и частично нагревается в скважинах до температуры Т₂ = 12 °C, имея начальную температуру Т₁ = 7 °C. В целом вода в карьере нагревается до температуры Т_ср = 10 °C. Находим требуемый расход воды через скважины:

Находим коэффициент теплопередачи на участке:

Согласно проведенному тепловому расчету получили зависимость нагрева температуры воды от глубины скважин, полученные данные приведены в таблице 1 и на рисунке 3.

Таблица 1 – Изменение температуры воды по глубине скважины.

Глубина скважины	0	25	50	75	100	125	150	175	200	225	250
Температура воды	7	10,668	11,453	12,21	12,968	13,725	14,483	15,24	15,998	16,755	17,513

3.2. Гидравлический расчет

Целью гидравлического расчета является определение условий прохождения воды через геотермальную скважину заданных размеров. В связи с техническими трудностями и большими затратами при организации подачи воды в скважину насосом, рассчитываем её работу в режиме самотека. Для этого на входе в кольцевой зазор необходим скоростной напор, позволяющий нагреваемой воде преодолеть потери на трение и местные сопротивления и выйти из внутренней трубы на водоносный горизонт.

К местным сопротивлениям относятся: поворот течения на 180°, вход в трубу и выход их трубы.

Согласно расчетам на входе в скважину необходимо создать подпор 608 Па. Скорость потока у входа в скважину при этом должна быть равной 1,1 м/с.

Рассчитаем угол наклона карьера при котором вода будет двигаться самотеком:

Таким образом, карьер необходимо спроектировать уклоном 6,5°.

Выводы

Чтобы избежать снижения эффективности очистки воды в зимний период, необходимо поддержание температуры воды в очистном сооружении на уровне 10 °С–12 °С. При таком температурном режиме вода не успевает замерзнуть, а ее температура существенно снизиться под ледяной коркой сооружения. При температуре сточных вод ниже 6 °С жизнедеятельность микроорганизмов, а следовательно, и их активность резко снижаются; при температуре свыше 37 °С заметно уменьшается скорость нитрификации в связи с уменьшением в воде растворенного кислорода. Таким образом, оптимальной является температура 10 °С–12 °С в зимний период и до 28 °С в летний [8].

Поддержание необходимой температуры воды в биоочистителе круглый год позволит:

1. Создать комфортные условия для жизнедеятельности гидробионтов круглогодично.
2. Предотвратить промерзание мелководных потоков и гибель водорослей и моллюсков в зимнее время.
3. В летний период в результате охлаждения воды в мелководной части карьера также улучшатся условия для жизнедеятельности гидробионтов.
4. Содержащийся в очистном сооружении ресурс воды будет выполнять круглогодично функцию очистки атмосферы путем растворения диоксида углерода и других газов с последующим усвоением их растениями для строения и питания клеток.
5. Использовать незамерзающий водоем как место для зимовки водоплавающих птиц [9].

Для обеспечения нагрева воды в геотермальном теплообменнике был произведен тепловой и гидравлический расчет.

Согласно проведенным расчетам, для нагрева воды за счет геотермальной энергии до температуры 12 °С необходимо пробурить геотермальную скважину диаметром 200 мм и длиной 76 м, которую на глубину 25 м необходимо оснастить теплоизоляцией из пеностекла толщиной 20 мм, а затем установить стальной кожух из стали 4Х13 с толщиной стенки 20 мм, а коаксильно с ним пластиковую трубу диаметром 50 мм и длиной 75 м.

Пространство между кожухом и массивом на участке от 25 до 75 м заполняется глино-графитной смесью с содержанием графита 50%.

При суточном расходе воды в карьере 660 м³/сутки, необходимо пробурить 24 такие скважины.

В связи с техническими трудностями и большими затратами при организации подачи воды в скважину насосом, было решено организовать её работу в режиме самотека. Для этого на входе в кольцевой зазор необходим скоростной напор, позволяющий нагреваемой воде преодолеть потери на трение и местные сопротивления и выйти из внутренней трубы на водоносный горизонт.

По данным расчета, для обеспечения движения воды самотеком карьер необходимо спроектировать с уклоном 6,5°.

Таким образом, применение вертикального скважинного коллектора труба в трубе и использование глино-графитной смеси при его размещении в грунте для интенсификации процесса извлечения геотермальной энергии позволит стабилизировать температурный режим карьерных вод и обеспечить круглогодичную работу биоочистного сооружения [10].

Список источников

1. Костенко В. К. Использование геотермальной энергии для повышения эффективности биоочистки сточных вод цементного предприятия. / В. К. Костенко, Е. Л. Завьялова, О. П. Чепак Проблемы недропользования: междунар. форум-конкурс молодых ученых, 22–24 апреля 2015 г.: сборник науч. тр. Часть ІІ. – Санкт-Петербург, 2015. – С. 32–35.
2. Костенко В. К. Восстановление биологического разнообразия в выработанных пространствах карьеров. / В. К. Костенко, Е. Л. Завьялова, О. П. Чепак Проблемы недропользования: междунар. форум-конкурс молодых ученых, 23–25 апреля 2014 г.: сборник науч. тр. Часть ІІ. – Санкт-Петербург, 2014. – C. 131–133.
3. Костенко В. К. Патент на винахід № 82121 Україна МПК F24 J3/08, F03 G41/00 «Спосіб одержання геотермальної енергії». / В. К. Костенко, О. В. Костенко, Т. В. Костенко, заявник і власник ДонНТУ. – № u200603145; заявл. 03.04.2006; опубл. 11.03.2008, бюл. № 5.
4. Шипика А. С. Усовершенствование технологии извлечения тепла недр в условиях Донбасса. [Электронный ресурс] / А. С. Шипика, И. В. Скринецкая, Е. Л. Завьялова «Комплексне використанння природних ресурсів»: V регіонал. конф., 6 грудня 2012 р.: зб. доповідей студентів та аспірантів. – Донецьк: ДонНТУ, 2012. – С. 23–28. Режим доступа: http://masters.donntu.ru.
5. Костенко В. К. Патент на корисну модель № 91730 Україна, МПК F24J3/08. Спосіб видобування геотермального тепла / В. К. Костенко, О. Л. Зав'ялова, І. В. Скринецька, О. С. Шипика, О. П. Чепак, Ю. І. Філатов; заявник і власник ДонНТУ. – № u2014 02110; заявл. 03.03.2014; опубл. 10.07.2014, Бюл. № 13.
6. Костенко В. К. Использование геотермальной энергии для повышения эффективности биоочистки сточных вод цементного предприятия. / В. К. Костенко, Е. Л. Завьялова, О. П. Чепак Проблемы недропользования: междунар. форум-конкурс молодых ученых, 22–24 апреля 2015 г.: сборник науч. тр. Часть ІІ. – Санкт-Петербург, 2015. С. 32–35.
7. Костенко В.К. Восстановление биологического разнообразия в выработанном пространстве Амвросиевского карьера. / В. К. Костенко, Е. Л. Завьялова, О. П. Чепак Екологічні проблеми топливно-енергетичного комплексу: V регіональна наук. конф. аспірантів і студентів, 25–26 квітня 2014 р: зб. матер. конф. – Донецьк: ДонНТУ, 2014. – С.180–185.
8. Завьялова Е. Л. Определение параметров технологии восстановления биологического разнообразия в выработанном пространстве карьеров. / Е. Л. Завьялова, О. П. Чепак Екологічні проблеми топливно-енергетичного комплексу: VI регіональна наук. конф. аспірантів і студентів, 14–15 травня 2015 р: зб. матер. конф. – Донецьк: ДонНТУ, 201. – С.34–38.
9. Национальный доклад Украины о гармонизации жизнедеятельности общества в окружающей природной среде: Специальное издание к V Общеевропейской конференции министров окружающей среды Окружающая среда для Европы. – Киев, 2003.
10. Костенко В. К. Повышение экологической безопасности шахтной природно-промышленной экосистемы за счет использования геотермальной энергии. / В. К. Костенко, С. Салехирадж, Е. Л. Завьялова Труды второго международного научно-практического семинара Повховские научные чтения / Под общ. ред. Ступина А. Б. – Донецк: ДонНУ, 2012. – С. 174–181.