Таблица 3 Исходные данные для проведения анализа эмпирического распределения
на основе модели нормального распределения
Среднее значение фракции
5,7
7,8
10,3
16,2
24,5
12,1
8,8
7,3
4,7
2,6
Среднее значение интерва-
95
85
75
65
55
45
35
25
15
5
лов, мкм
Объем выборки # = ∑ L( ), где f(x) частоты# = ∑появленияL( ) = 100одинаковых значений случайной величины х. В данном случае .
Сравнение нормального и эмпирического распределений графически представлено на рис. 3.
Рис. 3. Графики эмпирического и нормального распределений
Полученные данные распределены нормально - это открывает возможность использования данного метода для получения данных, необходимых для различных технологических расчетов, в частности для расчета основных характеристик пылеочистных сооружений [5], повышения качества пылеочистных систем и безопасности производственных процессов.
Способ седиментометрического анализа промышленных пылей методом отбора весовых проб может быть использован для контроля дисперсного состава пылей, полученных при обработке литейных деталей как в условиях производства, так и в учебном процессе.
450
Литература
1.Коузов П. А. Методы определения физико-химических свойств промышленных пылей [Текст] / П. А. Коузов, Л. Я. Скрябина. – Л.: Химия, 1983. – 143 с.
2.Кривошеин Д. А. Основы экологической безопасности производств [Текст] /
Д.А. Кривошеин, В. П. Дмитренко, Н. В. Федотова. – Спб.: Лань, 2015. – 336 с.
3.Кривошеин Д. А. Системы защиты среды обитания, в 2 т. Т.1 [Текст] / Д. А. Кривошеин, В. П. Дмитренко, Н. В. Федотова. – М.: Издательский центр «Академия», 2014. – 352 с.
4.Гулай Т. А. Теория вероятностей и математическая статистика [Текст] / Т. А. Гулай, А. Ф. Долгополова, Д. Б. Литвин, С. В. Мелешко. – изд. 2-е, доп. – Ставрополь: АГРУС, 2013. – 260 с.
5.Дытнерский Ю. И. Процессы и аппараты химической технологии ч. 2. Массообменные процессы и аппараты [Текст] / Ю. И. Дытнерский, М.: Химия, 1995. – 368 с.
Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет, Россия
N. V. Gorkova, N. B. Manuylova
SEDIMENTOMETRIC ANALYSIS OF THE DISPERSED COMPOSITION
OF INDUSTRIAL DUST BY WEIGHT SAMPLING
The article presents experimental studies, the purpose of which is to test the method of sedimentometric analysis of the dispersed composition of industrial dust by the method of weight sampling, as well as to develop and verify the compliance of the obtained empirical distribution of dust particles in size with the normal distribution.
Moscow Aviation Institute (National Research University), Russia
УДК 658.567.1
Г. М. Гайнуллина
ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ИНТЕГРИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ ПЛАСТИКОВЫХ ОТХОДОВ, ИСПОЛЬЗУЮЩЕЙ ПРОЦЕССЫ МЕХАНИЧЕСКОЙ И ТЕРМОХИМИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ
Большое разнообразие и количество пластиковых отходов, производимых во всем мире, требует лучшей организации промышленной сети, посвященной эксплуатации этого материала, путем включения различных процессов, которые позволяют регенерировать «материал» в качестве основной цели. В этом документе представлены результаты техникоэкономического обоснования, разработанного для интегрированной системы управления пластиковыми отходами, разработанной таким образом, чтобы иметь дело с реальным рынком и обеспечивать надежные цели с точки зрения выхода материала из рекуперации, энергоэффективности и минимизации отходов. Исследуемая система представляет собой сочетание механической сортировки, термохимических процессов и преобразования в материалы и энергию.
Введение и сфера применения
В 2017 году объем произведенных в мире пластиковых материалов достиг
348 миллионов тонн; около 18 % этого количества было произведено в Европе
451
иболее 50 % в Азии. Более 50 % спроса на пластиковые конвертеры составляют полипропилен (PP), полиэтилен низкой плотности (LDPE) и полиэтилен высокой плотности. Большое разнообразие пластмасс и их различное использование влечет за собой необходимость поиска различных процессов, способных обеспечить экологически безопасную утилизацию и оптимальное восстановление материалов и энергии. В зависимости от их физических и химических характеристик, собранные пластиковые отходы могут быть отправлены на механическую переработку, в процесс переработки сырья / химической переработки или на утилизацию энергии и захоронение. Невозможно выбрать уникальный предпочтительный процесс для всех коммерческих пластмасс, представленных в настоящее время на рынке. Основными неэкономическими факторами, влияющими на решение о том, какой маршрут является наиболее подходящим для определенных отходов, являются состав с точки зрения типа полимера (HDPE, LDPE, PP, PS, EPS, PET, PVC) и доля не -полимерные материалы (в том числе многослойные пластики и композиты). Эти характеристики влияют на конструкцию всей системы, начиная с сортировочного объекта, где реализуются смешанные пластиковые отходы, поступающие из раздельного сбора городских
икоммерческих отходов, до процесса переработки или восстановления, выбранного в качестве подходящего инструмента для преобразования отходов в ценные материалы.
Во всех случаях механическая переработка не может применяться, возможно и удобно использовать указанные выше альтернативные маршруты. В частности, процессы термолиза выбранных полимеров и смеси пластиковых отходов могут привести к очень хорошим показателям с точки зрения рекуперации энергии с ограниченным воздействием на окружающую среду. Наиболее важно то, что процессы пиролиза и газификации можно применять даже в меньших масштабах, делая возможной интеграцию с другими установками. Процессы газификации различаются в зависимости от применяемой технологии основного реактора (газификатора), метода минимизации образования смол, очистки / кондиционирования синтез-газа и его использования. Газификация может применяться к гетерогенным пластиковым отходам с хорошими характеристиками с точки зрения выхода синтез-газа и эффективности холодного газа. Пиролиз пластмасс направлен на получение предпочтительно материалов вместо энергии или топлива. В этом случае кормовой состав ограничен строгими требованиями. Наиболее применяемым и изученным процессом восстановления материалов из пластиковых отходов является пиролиз полиолефинов.
Полимеры - главный компонент «семейства пластмасс»; они состоят из повторяющейся структуры мономеров, в основном состоящих из углерода и водорода и, в некоторых случаях, из гетероатомов, таких как кислород, азот, хлор, их обычно классифицируют в зависимости от их структуры и свойств, на основе термомеханических свойств и на основе их технологических характеристик в термопластах, эластомерах и реактопластах.
452
Термопластичные полимеры, такие как PE, PP, PVC, PS, являются примерами полимеров полиприсоединения; ПЭТ является примером поликонденсированного полимера.
Полимеры полиприсоединения, за исключением ПВХ, который имеет своеобразное поведение, могут подвергаться термолизу в контролируемой среде, производя широкий спектр углеводородов с числом атомов углерода от 1 (метан) до 20. Термолиз пластиковых отходов на самом деле ориентирован на восстановление сырья для нефтехимической промышленности с помощью таких процессов, как гидрогенизация в жидкой и газовой фазе, паровой крекинг, каталитический крекинг, пиролиз, коксование и газификация.
Процесс механической сортировки (P1) реализуется с использованием как физических, так и химических свойств материалов. Прежде всего, кипы пластиковых отходов открываются и грубо измельчаются. После этой предварительной обработки производится разделение потоков по плотности с помощью барабанного воздушного сепаратора. Потоки, имеющие разную плотность, направляются на оптическую сортировку, которая осуществляется с помощью оборудования ближнего инфракрасного диапазона (NIR), которое определяет химический состав материалов на ремнях и возгорается воздушными струями под высоким давлением, которые определяются как «положительные» потоки. Остальные материалы составляют «отрицательный» поток. Знак «+» указывает на то, что оборудование способно определять как положительный данный поток; как правило, обнаружение материалов как положительного потока обеспечивает высокий уровень чистоты потока, если гарантируется распределение по ускоряющему ремню. Денсиметрическое разделение было выбрано из-за огромного количества пленок (LDPE, PP), которые могут охватывать тяжелые, но более мелкие материалы за счет снижения чистоты потоков. Поток световой плотности направляется в уникальный ближний ИК-диапазон, поскольку ожидается, что присутствие ПЭТ / ПВХ / стекла и т. д. будет в фракциях с более высокой плотностью, которые сортируются с большей точностью.
Магнитный сепаратор удаляет черные металлы, в то время как ECS может удалять цветные материалы, позволяя получить чистый поток полиолефинов. После интенсивного измельчения и гомогенизации поток полиолефинов становится сырьем для пластика, подходящим для направления в секцию преобразования пластика в масло (PtO).
Раздел "пластик-топливо"
Секция термолиза организована для получения смеси углеводородов в диапазоне от C1 до C30, которая подвергается фракционированию в зависимости от температуры кипения (Tb) компонентов; Получаются три фракции: фракция от C1 до C4 (неконденсируемый газ или NCG), фракция от C5 до C21 (аналогичная сырой нефти и затем используемая для смешивания с ней на входе в нефтеперерабатывающий завод, называемая синкрудой) и более тяжелая фракция который представляет собой кубовый остаток (Tb> 350 °C), рециркулируемый в реактор крекинга. В реактор поступают полиолефины с ограниченным количеством посторонних веществ (целлюлоза, стекло, бумага и т. Д.) И
453
следами нежелательных полимеров, таких как ПЭТ или ПВХ.Термический крекинг в реакторе проводится при температуре от 450 °C до 480 °С. В частности, в зоне первичного крекинга (гетерогенная зона) используется температура 480 °C, а в гомогенной зоне устанавливается немного более низкая температура (450–460 °C). Кинетическая модель, используемая для прогнозирования распределения продуктов и времени реакции, основана на модели, доступной в литературе как модифицированная на основе не представленной здесь модели глобальной реакции. Полученные выходы продуктов составляют: 61,3 % парафинов, 18,5 % жидкостей, 7,6 % ароматических углеводородов, 10 % NCG. На основе промышленного опыта определенное количество было рассмотрено как технологические потери из-за образования смол во время охлаждения и частичной конденсации; это привело к рассмотрению для следующих расчетов доли жидкого продукта (синкруды), равной 80 %, и NCG, равной 10 %. Остальное вещество превращается в голь и смолу.
Описание процесса газификации
Газификация - это термохимический процесс, при котором углеродный материал превращается в газообразную смесь низкомолекулярных веществ. Остается чистый «синтез-газ», который можно преобразовать в ценные продукты и электроэнергию. В частности, газификация отходов - это экономичное и экологичное решение для получения более чистой энергии вместе с значительным снижением веса отходов. Самый простой способ рассматривать газификацию - это альтернатива сжиганию для получения тепла и энергии с меньшим воздействием на окружающую среду. В этом случае процесс газификации используется для преобразования гетерогенного топлива (твердые отходы, шлам, биомассы, низкосортный уголь и т. д.)
Во-первых, процесс газификации не может быть представлен одной основной реакцией, как в случае процесса горения, а может быть представлен реакциями с участием различных реагентов (кислород, углекислый газ, вода) и характеризуется разными энтальпиями реакции. Более того, необходимо учитывать взаимодействие между промежуточными продуктами и минералами, особенно для пластмасс.
Материалы
Исходный материал, к которому относится этот документ - это остатки пластиковых отходов от централизованной сортировки на предприятии по рекуперации материалов (MRF). Эти пластиковые отходы имеют низкое содержание ПЭТ и высокое содержание полиолефинов, других полимеров и посторонних веществ. Сортировка этих отходов с единственной целью извлечения ПЭТ и ПЭВП, которые являются единственными полимерами, пригодными для механической переработки, была бы экономически нецелесообразной из-за большей части потока (около 90 %), которую необходимо обрабатывать. на утилизацию (захоронение или сжигание). Ссылаясь на исследуемую интегрированную систему, в которой завершается сортировка для подготовки сырья для процессов PtO и газификации, были получены массовый расход и состав данных потоков.
454
Таблица
Материальные потоки и краткое описание
Краткое на-
Название
звание / код
Описание
потока на
блок-схемах
Пластиковые
Смесь материалов с преобладанием пластмасс,
смешанные
отхо-
PMW / F1
но с присутствием металлов, бумаги, текстиля и
ды
композитов.
Пластиковое
сы-
Смесь полимеров, подаваемых в реактор термо-
PF / F2
лиза для превращения в синкруд и побочные
рье
продукты
Остатки от
сор-
Смесь материалов с высокой энергией исходно-
W_1 / F4
го сырья, которые нельзя механически перера-
тировки
ботать или превратить в синкруд.
Синтетический
Синтез-газ /
Смесь окиси углерода, водорода, углеводородов
газ
F6
и переменного содержания азота
Смесь тяжелых углеводородов с молекулярной
Синтетическая
массой от 72 до 400 г / моль, которую можно
Syncrude / F18
фракционировать в ректификационной колонне
сырая нефть
для получения керосина, бензина, реактивного
топлива и т. д.
3. Резюме и выводы
Была проведена оценка интегрированной системы, позволяющей использовать пластиковые отходы с использованием процессов термолиза, применяемых к потокам, которые механически не могут быть переработаны в новые ценные товары. Источники данных в основном получены из литературы, промышленных приложений и компаний, действующих в соответствующих областях, с установленными демонстрационными установками; Модель для моделирования массовых потоков - это анализ материального потока. Оценка потока энергии в сырье также применяется для того, чтобы оценить, какая часть энергии материала используется и передается в топливо и вторичные материалы. Данные об установленной мощности, необходимой для работы смоделированной интегрированной установки, также предоставляются для определения внешнего запроса энергии, а затем операционных затрат.
Наиболее важным результатом технико-экономического обоснования является то, что пластиковые отходы, используемые в качестве исходных данных для системы, представляют собой остатки, поступающие с существующих заводов по переработке материалов, которые сортируют пластмассы, собранные в домашних хозяйствах и из коммерческих источников; этот остаток направляется на утилизацию, например, на захоронение или сжигание вместе с твердыми
бытовыми отходами, что сопряжено с высокими затратами и воздействием.
455
Преобразование во вторичное топливо также применяется для замены ископаемого топлива в цементных печах или (редко) на металлургических заводах; в этом случае отсортированный пластик заменяет уголь в качестве топлива для производства тепла после стадии сортировки и уплотнения (так называемое производство CSS). Сегодня стоимость этих этапов составляет около 80 евро / тонну, что было добавлено к транспортным расходам между MRF и заводом CSS и от CSS до цементного завода, имеющего лицензию на использование топлива CSS. Высокая стоимость обработки пластмасс и ограниченное количество разрешенных объектов привели к массовому захоронению отходов.
Использование пиролизного газа из пластика в нефть и синтез-газа из газификации для производства электроэнергии позволяет полностью покрыть затраты на энергию и, следовательно, минимизировать эксплуатационные расходы. Излишек электроэнергии можно отдавать в сеть или использовать в промышленном районе. Синтез-газ можно использовать для других процессов, не описанных в данной статье, таких как: a) производство комбинированного тепла и электроэнергии с использованием произведенного тепла для нагрева / охлаждения; б) добавление процесса метанирования с соответствующим производством и доставкой метана в сеть общего пользования. Эти варианты надежны и могут быть оценены на уровне предварительной разработки из потенциально ценного материала с огромными экологическими, социальными и экономическими затратами.
Литература
1.Бобович, Б. Б. Переработка промышленных отходов / Б. Б. Бобович // Учебник для вузов. - М.: СП Интермет Инжиниринг, 2010. - 445 с.
2.Зорин В.П., Лубенская С.А. Использование вторичного полимерного сырья / В. П. Зорин // Химическая промышленность: Обзорная информация.-Сер. Переработка пластмасс. С.17-23.
4.Лебедева Т. М., Шалайкая С.А. Переработка вторичного поливинилхлоридного сырья / Т. М. Лебедева //. - Л.: Знание РСФСР, ЛО, ЛДНТП.- 2011.- 24с.
5.Лукасик В.А. Разработка технологии переработки высокомолекулярных отходов /
В.А. Лукасик // Москва-технология.- Москва. -2008.- 233 с.
Уфимский государственный нефтяной технический университет, Россия
G. M. Gainullina
TECHNICAL AND ECONOMIC EVALUATION OF AN INTEGRATED PLASTIC WASTE SYSTEM USING MECHANICAL AND THERMOCHEMICAL PROCESSING
The great variety and quantity of plastic waste generated around the world requires a better industrial network dedicated to the exploitation of this material, by incorporating various processes that allow the recycling of the «material» as a primary goal. This document presents the results of a feasibility study developed for an integrated plastic waste management system designed to deal with the real market and provide reliable targets in terms of material recovery, energy efficiency and waste minimization. The system under study is a combination of mechanical sorting, thermochemical processes, and conversion to materials and energy.
Ufa State Petroleum Technical University, Russia
456
УДК 50.502
В. Е. Бурак, С. А. Донцов
МОДИФИКАЦИЯ МЕТОДА «ЛЬНЯНЫХ ПОЛОТЕН» ДЛЯ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ
В статье рассмотрены особенности и преимущества биологических методов исследований для прогнозирования состояния экосистем и их компонентов. Для расширения возможностей биомониторинга в натурных исследованиях предложена модификация метода «льняных полотен», позволяющего комплексно оценить то или иное воздействие. Предложенный методологический подход позволяет выполнить количественную оценку биодеструкции различных материалов почвенной микробиотой.
Биологические методы исследования состояния окружающей среды, наряду с физико-химическими и иными методами, являются важнейшим компонентом экологического мониторинга [1].
Их преимущества очевидны:
–низкая себестоимость,
–комплексность оценки множества факторов;
–возможность исследования различных сред (почвы, воздуха, воды) и объектов.
Традиционно методы биологического мониторинга подразделяются на биоиндикационные, биотестирование и оценку компонентов биоразнообразия.
С течением времени ряд из них расширяет свои возможности за счёт совершенствование технических возможностей проведения эксперимента и включения в сферу исследований новых объектов.
К таким методам относится метод «льняных полотен» [2].
Данный метод не относится к аттестованным методикам (методам) измерений [3] и редко применяется в исследованиях вследствие своей архаичности.
Цель настоящей статьи – расширение возможностей биомониторинга на примере метода «льняных полотен».
Задача – предложить современную модификацию метода, приемлемую для использования в экологических исследованиях.
Результаты исследования.
Метод «льняных полотен» впервые был описан в работах учёных, занимавшихся исследованием токсичности различных типов почв, вызванной применением интенсивных технологий возделывания сельскохозяйственных культур, в частности, использованием различных видов пестицидов и удобрений [4, 5].
Как оказалось, средства интенсификации производства, несомненно дающие положительный эффект в виде повышения продуктивности сельскохозяйственных культур, в перспективе снижают плодородие почв. Этот эффект вызван не только разрушением механических свойств почвы, но, и негативным действием на почвенную микрофлору, проявляющуюся в обеднении видового разнообразия, в т.ч. снижением доли сапрофитных микроорганизмов [5, 6].
457
Оценить происходящие измерения можно двумя способами – пофакториально и (или) комплексно.
Поскольку методы исследования отдельных свойств почвы и выделение существующих видов микроорганизмов процесс непростой, длительный и дорогостоящий были предприняты попытки разработки корректного, простого в исполнении и надёжного метода, позволяющего в комплексе оценить биологическую активность почв и (или) их токсичность.
В процессе разработки метода было установлено, что льняное полотно, погружённое в почву, со временем, разлагается и теряет массу пропорционально количеству имеющихся в почве целлюлозоразрушающих бактерий, чувствительных к наличию кислорода, доступных питательных веществ и веществ, оказывающих на них подавляющее действие.
Техническая сторона методики состояла в подготовке стеклянных пластин шириной 10 см, обтяжке их льняным полотном, заглублением в почву и выбором соответствующей экспозиции – 2-3 недели, 1-3 месяца и т.п. [2].
Недостатками метода были:
–необходимость вырезать и использовать стекло, которое представляет опасность для исследователя;
–опасность загрязнения окружающей среды осколками стекла;
–повреждение ткани при обтяжке стекла;
–сложность транспортировки;
–значительная погрешность при взвешивании.
Учитывая вышеизложенное, предпринимались попытки модификации метода. В частности, вместо стекла предлагалось использовать полиэтиленовую плёнку 150-200 микрон, предназначенную для упаковки пищевых продуктов или использования при выращивании сельскохозяйственных культур. Плёнка нарезалась на полосы длиной 35 см и шириной 10 см [5].
Был предложен и успешно осуществлён метод крепления к плёнке льняного полотна запайщиком полиэтиленовых пакетов. Плёнка крепилась по контуру полотна и параллельными полосами через 10 см таким образом, чтобы сверху оставалась свободная часть плёнки 5 см.
Полученные пластины закапывались на глубину пахотного слоя (30 см) с оставлением свободной части плёнки над поверхностью почвы для того, чтобы была возможность легко обнаружить образцы по завершении экспозиции.
По окончании эксперимента полотно в лабораторных условиях разрезалось на отдельные квадраты 10х10 см, отделялось от плёнки и взвешивалось на аналитических весах 2-го класса точности [5].
Данная модификация метода приемлема для исследования свойств почвы при проведении экологического мониторинга и исследовании влияния различных загрязнителей на снижение биологической активности почвы.
Результаты полевого опыта по оценке эффективности метода «льняного полотна» показали, что поверхностная обработка почвы, при внесении органических удобрений, создаёт лучшие условия для деятельности целлюлозоразру-
458
шающих микроорганизмов, особенно в слое почвы 0-10 см и составляет 25,4 % убыли ткани (таблица).
Таблица
Влияние приёмов основной обработки почвы на активность целлюлозоразрушающих микроорганизмов при внесении органических удобрений (% убыли ткани)
Приемы обработки почвы
Слой почвы, см
0-10
10-20
20-30
0-30
Вспашка на 20-22 см
20,6
23,0
15,1
19,6
Плоскорезная обработка на 20-22 см
18,3
11,9
9,5
13,2
Поверхностная обработка на 8-10 см
25,4
21,4
17,5
21,4
Более того, льняное полотно может быть заменено иными ткаными материалами (натуральными и искусственными), биоразрушение которых представляет интерес в экологических исследованиях.
Крепление полотна может осуществляться, в принципе, любым способом, минимально повреждающим ткань, в т.ч. в краткосрочных экспериментах нитками, скобами и другими нейтральными или малореакционными в почвенной среде материалами (предметами).
Рекомендация. Учитывая эффективность изложенного методического подхода в проведении натурных экспериментов, считаем возможным рекомендовать его модификации в экологических исследованиях.
Литература
1.Экологический мониторинг: учебно-методическое пособие [Текст] / Под ред. Т.Я. Ашихминой. М.: Академический проект, 2005. – 416 с.
2.Васильев, И. П. Земледелие: практикум [Текст] / И. П. Васильев, Г. И. Баздырев,
А.М. Туликов и др. - М.: ИНФРА-М, 2021. – 424 с.
3.Федеральный информационный фонд по обеспечению единства измерений [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://fgis.gost.ru/fundmetrology/registry/16
4.Миненко, А. К. Влияние агротехники на микрофлору почвы / А. К. Миненко. – Научные труды НИИСХ ЦРНЗ. – М.: Россельхозиздат, 1968, В. XX, С. 126-137.
5.Бурак, В. Е. Влияние агротехнических приемов на урожайность озимой ржи на серых лесных почвах юго-западной части Нечерноземной зоны [Текст] : дис. ... канд. сельск. наук : 06.01.09 / Бурак Василий Евгеньевич. - Немчиновка, Моск. обл., 1988. - 186 с.
6.Пегова, Н. А. Повышение продуктивности дерново-подзолистой среднесуглинистой почвы за счет биологизации и противоэрозионной обработки почвы [Текст] : дис. ... канд. сельск. наук : 06.01.01 / Пегова Нина Аркадьевна – Пермь, 2008 – 148 с.
Российский университет транспорта (МИИТ), г. Москва, Россия
