ДонНТУ   Портал магістрів

Чепак Ольга Петрівна

Факультет екології та хімічної технології

Кафедра природоохоронної діяльності

Спеціальність Екологія гірничих технологій

Обґрунтування параметрів технології відновлення біологічного різноманіття у вироблених просторах кар‘єрів з використанням геотермальної енергії

Науковий керівник: к. т. н., доц. Зав’ялова Олена Леонідівна

Резюме Біографія Реферат

Реферат за темою випускної роботи

Зміст

• Вступ
• 1. Актуальність теми
• 2. Мета, ідея роботи і завдання дослідження
• 2.1. Мета роботи
• 2.2. Завдання роботи
• 2.3. Ідея роботи
• 2.4. Основні методи дослідження
• 3. Опис запропонованого способу
• 3.1. Тепловий розрахунок
• 3.2. Гідравлічний розрахунок
• Висновки
• Список джерел

Вступ

Індустрія з виробництва цементу дає внесок в загальносвітову емісію СО₂, викликану антропогенними факторами, у розмірі 5%. Це визначає необхідність здійснення заходів щодо скорочення викидів парникових газів в навколишнє середовище. Крім того, виробництво цементу пов’язане з виділенням величезного обсягу аерозолів і забрудненням стічних вод.

Завдяки значним запасам корисних копалин, розташованих близько до денної поверхні, розвиненої індустріальної бази на більшості підприємств цементної промисловості використовують відкритий спосіб розробки корисних копалин. Він є найбільш перспективним в технологічному і економічному відношеннях. Разом з тим на українських і зарубіжних підприємствах недостатній рівень природоохоронних та ресурсозберігаючих технологій. Після виїмки вихідної сировини, наприклад, крейди або мергелю, вироблений простор кар’єру являє собою місячний неживий пейзаж – позбавлені родючого грунтового шару западини зі схильними до ерозійного руйнування бортами. Відновлення флори і фауни на цих територіях займає сотні років, а іноді залишається неможливим [1].

Необхідна технологія інтенсивного відновлення, а можливо і поліпшення в порівнянні з первісним станом біологічного різноманіття на територіях що залишаються після виїмки корисної копалини. З іншого боку, ця технологія повинна відповідати вимогам малої витратності і, по можливості, хоча б часткової окупності [2].

1. Актуальність теми

Дослідження щодо встановлення параметрів теплообміну в системі породний масив – водне середовище біоочістної споруди з метою підвищення ефективності вилучення геотермальної енергії та удосконалення на цій основі технології відновлення біологічного різноманіття у вироблених просторах кар’єрів є актуальним науково-технічним завданням.

2. Мета, ідея роботи і завдання дослідження

2.1. Мета роботи

Метою роботи є вибір і обгрунтування параметрів технології відновлення біологічного різноманіття у вироблених просторах кар’єрів на підставі розкриття закономірностей теплообміну між породним масивом і водним середовищем при використанні геотермальних теплообмінників в біоочістній споруді.

2.2. Завдання роботи

Для досягнення поставленої мети потрібно вирішення наступних завдань:

1. Розглянути існуючі технології відновлення біологічного різноманіття у вироблених просторах кар’єрів.
2. Провести теоретичні дослідження закономірностей зміни теплопереносу в системі породний масив-водне середовище в біоочістній споруді.
3. Провести експериментальні дослідження підвищення теплопровідності породного масиву.
4. Вибрати й обґрунтувати параметри технології відновлення біологічного різноманіття у вироблених просторах кар’єрів з використанням геотермальної енергії.
5. Виконати еколого-економічну оцінку запропонованого способу використання геотермальної енергії для відновлення біологічного різноманіття у вироблених просторах кар’єрів з використанням геотермальної енергії.

2.3. Ідея роботи

Ідея роботи полягає в забезпеченні оптимального температурного режиму життєдіяльності гідробіонтів в біоочістном спорудженні шляхом використання геотермальної енергії.

Об'єкт дослідження: низькопотенційна геотермальна енергія розподілена в породному масиві.

Предмет дослідження: термодинамічні процеси та умови, що визначають теплоперенос в системі породний масив – водне середовище в біоочістній споруді.

2.4. Основні методи дослідження

При виконанні магістерської роботи був використаний комплексний метод дослідження: аналіз та узагальнення інформаційних джерел, присвячених питанням використання геотермальної енергії; теоретико-експериментальні дослідження процесу теплопереносу в системі породний масив – водне середовище в біоочістній споруді; еколого-економічний аналіз перспективних технологій використання геотермальної енергії для відновлення біологічного різноманіття у вироблених просторах кар’єрів з використанням геотермальної енергії.

3. Опис запропонованого способу

Прискорити процес формування біогеоценозу у вироблених просторах кар’єрів можна тільки створивши для цього необхідні гідрогеологічні умови. Вода є основою для формування та розвитку живих форм матерії. Авторами запропонований спосіб, що дозволяє прискорити відновлення біологічного різноманіття у вироблених просторах кар’єрів шляхом очищення атмосфери та гідросфери, відродження флори і фауни на основі цілорічного управління станом потоків кар’єрних вод за рахунок використання геотермальної енергії.

Водоносний горизонт, з якого відбувається основний водоприток в кар’єр, показаний з лівого борту кар’єра (рис.1). Вироблений простір схематично представлено у вигляді прямокутника. У центрі виробленого простору розташовується основна дамба, що споруджується із залізобетону або насипна, з не схильних до розмокання матеріалів, наприклад з шматків пісковику, вапняку, відпрацьованих автомобільних скатів, будівельних або інших відходів четвертого класу [3].

Основна функція дамби – розділити дно кар’єру для додання кругового руху водному потоку, тим самим збільшивши відстань течії води і забезпечивши тривалість її фізичної і біологічної очистки. Для збільшення тривалості проходження води через кар’єр, тим самим збільшення ступеня очищення води, створені допоміжні дамби, що розділяють верхню і нижню частину кар’єра. Допоміжні дамби розташовані в шаховому порядку. В областях розташування дамб проектується утворення болотистого середовища з рясною рослинністю. Основою дамби будуть служити бетонні блоки або кам’янисті насипи з не схильними до розмокання гірськими породами. Для мінімізації ерозії і вимивання ґрунту поверхні дамб засіяні рослинами [4].

Для цілорічного очищення води по руслу водотоку праворуч і ліворуч від допоміжних дамб пропонується пробурити свердловини глибиною 50–100 м, розташовуючи в них вертикальний свердловинний теплообмінний колектор типу труба в трубі. Вода з водоносного горизонту через конфузор потрапляє в міжтрубний простір і за рахунок швидкісного напору рухається вниз по трубі. По мірі просування відбувається теплообмін між стінкою металевої труби з температурою вміщали порід і водним потоком, в результаті чого температура води стає близькою температурі оточуючих гірських порід, що в умовах Донбасу складає 12–15 °С. У нижній частині труби потік, за рахунок швидкісного напору, змінює напрямок на 180 градусів і піднімається по внутрішній пластиковій трубі на поверхню [5].

В результаті в холодний період року вода буде підігріватися за рахунок геотермальної енергії, а в жаркий охолоджуватися. Нагрівання води до необхідної температури та підтримання цієї температури круглий рік дозволить створити комфортні умови для життєдіяльності гідробіонтів цілий рік [6].

3.1. Тепловий розрахунок

Приймаємо наступну схему однотрубного геотермального теплообміну (рис. 2). Коаксильной теплообмінник включає в себе свердловину з поміщеним в неї сталевим циліндричним кожухом діаметром D, закритим знизу. У цьому кожусі коаксильно розміщена труба зі спеціального матеріалу що погано проводить тепло (наприклад, пластик), діаметром d, яка відкрита знизу. Вода, опускаючись по кільцевому каналу вниз, нагрівається земним теплом. Нагріта вода піднімається по внутрішній трубі вгору на поверхню землі.

Така конструкція є екологічною, оскільки структура глибинного грунту не зачіпається. Очевидно, що від поверхні землі до деякої глибини навколишні шари землі будуть холодніше, ніж вода, і буде відбуватися втрата тепла. Для запобігання цієї втрати необхідна часткова теплоізоляція сталевого кожуха. На частині довжини колектора простір між стінкою свердловини і поверхнею кожуха заповнюється для поліпшення теплообміну глино-графитной сумішшю, теплопровідність якої вище теплопровідності порід.

Приймаються наступні допущення:

1. Теплообміном між шарами води вздовж осі z нехтуємо.
2. Теплообміном через внутрішню трубу нехтуємо, тобто вважаємо температуру нагрітої води постійною, Т₂ = const.
3. Температура зовнішньої поверхні свердловини є постійною і рівною температурі грунту Т_г, відповідній глибині буріння.
4. Температура ґрунту є постійною (відновлюється за рахунок геотермальної енергії).

Відповідно до цих припущеннями завдання теплообміну є стаціонарною.

Приймаємо для розрахунку наступні дані:

Т_го = 10,1 °С; – температура поверхні землі;

Т₁ = 7 °С; – температура води на вході в теплообмінник;

Т₂ = 12 °С; – температура води на виході з теплообмінника;

Т_г = 15 °С – середня температура гірських порід;

D = 100 мм, d = 50 мм – еквівалентний діаметр каналу;

1000 кг/м³ – щільність води;

С = С_рв = 4,187 КДЖ/кгК – питома теплоємність води при постійному тиску;

0,02 м – товщина шару теплоізоляції (піноскло) на ділянці.

Товщина стінки сталевого кожуха – 30 мм; 24,4 Вт/мК (сталь 4Х13, нержавіюча). Коефіцієнт тепловіддачі від внутрішньої стінки кожуха до води 4652 Вт/мК.

Коефіцієнт теплопередачі від грунту до води на ділянці:

Для збільшення коефіцієнта теплопровідності заповнюємо простір між кожухом і масивом гліно-графітной сумішшю з концентрацією графіту 50%, товщиною гліно-графітной суміші 10 мм [7].

Середньодобова витрата води в кар’єрі Q = 660 м³/добу. Приймаються наступні допущення. Вода проходить по дну кар’єра і частково нагрівається в свердловинах до температури Т₂ = 12 °C, маючи початкову температуру Т₁ = 7 °C. В цілому вода в кар’єрі нагрівається до температури Т_ср = 10 °C. Знаходимо необхідну витрату води через свердловини:

Знаходимо коефіцієнт теплопередачі на ділянці:

Згідно з проведеним тепловим розрахунком отримали залежність нагріву температури води від глибини свердловин, отримані дані наведені в таблиці 1 і на рисунку 3.

Таблица 1 – Зміна температури води по глибині свердловини.

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

3.2. Гідравлічний розрахунок

Метою гідравлічного розрахунку є визначення умов проходження води через геотермальну свердловину заданих розмірів. У зв’язку з технічними труднощами і великими витратами при організації подачі води в свердловину насосом, розраховуємо її роботу в режимі самопливу. Для цього на вході в кільцевий зазор необхідний швидкісний напір, що дозволяє воді подолати втрати на тертя і місцеві опори і вийти з внутрішньої труби на водоносний горизонт.

До місцевих опор відносяться: поворот течії на 180°, вхід в трубу і вихід їх труби.

Згідно з розрахунками на вході в свердловину необхідно створити підпір 608 Па. Швидкість потоку біля входу в свердловину при цьому повинна бути рівною 1,1 м/с.

Розрахуємо кут нахилу кар’єра при якому вода буде рухатися самопливом:

Таким чином, кар’єр необхідно спроектувати з ухилом 6,5°.

Висновки

Щоб уникнути зниження ефективності очищення води в зимовий період, необхідно підтримання температури води в очисній споруді на рівні 10 °С–12 °С. При такому температурному режимі вода не встигає замерзнути, а її температура істотно знизитися під крижаною кіркою споруди. При температурі стічних вод нижче 6 °С життєдіяльність мікроорганізмів, а отже, і їх активність різко знижуються; при температурі понад 37 °С помітно зменшується швидкість нітрифікації у зв’язку зі зменшенням у воді розчиненого кисню. Таким чином, оптимальною є температура 10 °С–12 °С в зимовий період і до 28 °С у літній [8].

Підтримання необхідної температури води в біоочисника цілий рік дозволить:

1. Створити комфортні умови для життєдіяльності гідробіонтів цілий рік.
2. Запобігти промерзання мілководних потоків і загибель водоростей і молюсків в зимовий час.
3. У літній період в результаті охолодження води в мілководній частині кар’єру також покращаться умови для життєдіяльності гідробіонтів.
4. Ресурс води, що міститься в очисному спорудженні буде виконувати цілий рік функцію очищення атмосфери шляхом розчинення діоксиду вуглецю та інших газів з подальшим засвоєнням їх рослинами для будови і живлення клітин.
5. Використовувати незамерзаючий водойму як місце для зимівлі водоплавних птахів [9].

Для забезпечення нагріву води в геотермальному теплообміннику був проведений тепловий та гідравлічний розрахунок.

Згідно з проведеними розрахунками, для нагріву води за рахунок геотермальної енергії до температури 12 °С необхідно пробурити геотермальну свердловину діаметром 200 мм і довжиною 76 м, яку на глибину 25 м необхідно оснастити теплоізоляцією з піноскла завтовшки 20 мм, а потім встановити сталевий кожух зі сталі 4Х13 з товщиною стінки 20 мм, а коаксильно з ним пластикову трубу діаметром 50 мм і довжиною 75 м.

Простір між кожухом і масивом на ділянці від 25 до 75 м заповнюється гліно-графітной сумішшю з вмістом графіту 50%.

При добовій витраті води в кар’єрі 660 м³/добу, необхідно пробурити 24 такі свердловини.

У зв’язку з технічними труднощами і великими витратами при організації подачі води в свердловину насосом, було вирішено організувати її роботу в режимі самопливу. Для цього на вході в кільцевий зазор необхідний швидкісний напір, що дозволяє нагрівається воді подолати втрати на тертя і місцеві опори і вийти з внутрішньої труби на водоносний горизонт.

За даними розрахунку, для забезпечення руху води самопливом кар’єр необхідно спроектувати з ухилом 6,5°.

Таким чином, застосування вертикального свердловинного колектора труба в трубі і використання гліно-графітной суміші при його розміщенні в ґрунті для інтенсифікації процесу вилучення геотермальної енергії дозволить стабілізувати температурний режим кар’єрних вод та забезпечити цілорічну роботу біоочістної споруди [10].

Список джерел

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.