LLCCOOII--RReevviieewwss

ЗЗббііррккаа ннааууккооввиихх ппррааццьь ввииддааєєттььссяя ДДооннееццььккиимм ннааццііооннааллььнниимм ууннііввееррссииттееттоомм ММООННммооллооддььссппоорртт УУккррааїїннии ззаа ппррооееккттоомм„„ННииззььккоо--ввууггллееццееввіі ммоожжллииввооссттіі ддлляя ііннддууссттррііааллььнниихх ррееггііоонніівв УУккррааїїннии””,, щщоо ффііннааннссууєєттььссяя ЄЄввррооппееййссььккиимм ССооююззооммззаа ТТееммааттииччннооюю ппррооггррааммооюю ддлляя ддооввккіілллляя ттаа ссттааллооггоо ууппррааввлліінннняя ппррииррооддннииммии рреессууррссааммии,, ззооккррееммаа ееннееррггіієєюю

NNoo.. 1111,, 3300..1111..22001122

LLOOWW--CCAARRBBOONN OOPPEENN IINNNNOOVVAATTIIOONN RREEVVIIEEWWSSООГГЛЛЯЯДДИИ ННИИЗЗЬЬККОО--ВВУУГГЛЛЕЕЦЦЕЕВВИИХХ ВВІІДДККРРИИТТИИХХ ІІННННООВВААЦЦІІЙЙООББООЗЗРРЕЕННИИЯЯ ННИИЗЗККОО--УУГГЛЛЕЕРРООДДННЫЫХХ ООТТККРРЫЫТТЫЫХХ ИИННННООВВААЦЦИИЙЙ

Проект фінансується Європейським СоюзомПроект фінансується Європейським Союзом

Проект реалізуєтьсяДонецьким національним

університетом, Україна

Проект реалізуєтьсяДонецьким національним

університетом, Україна

LLCCOOII--RReevviieewwss LLOOWW--CCAARRBBOONN OOPPEENN IINNNNOOVVAATTIIOONN RREEVVIIEEWWSS ООГГЛЛЯЯДДИИ ННИИЗЗЬЬККОО--ВВУУГГЛЛЕЕЦЦЕЕВВИИХХ ВВІІДДККРРИИТТИИХХ ІІННННООВВААЦЦІІЙЙ ООББООЗЗРРЕЕННИИЯЯ ННИИЗЗККОО--УУГГЛЛЕЕРРООДДННЫЫХХ ООТТККРРЫЫТТЫЫХХ ИИННННООВВААЦЦИИЙЙ NNoo.. 1111,, 3300..1111..22001122 ЗЗббііррккаа ннааууккооввиихх ппррааццьь ввииддааєєттььссяя ДДооннееццььккиимм ннааццііооннааллььнниимм ууннііввееррссииттееттоомм ММООННммооллооддььссппоорртт УУккррааїїннии ззаа ппррооееккттоомм „„ННииззььккоо--ввууггллееццееввіі ммоожжллииввооссттіі ддлляя ііннддууссттррііааллььнниихх ррееггііоонніівв УУккррааїїннии””,, щщоо ффііннааннссууєєттььссяя ЄЄввррооппееййссььккиимм ССооююззоомм ззаа ТТееммааттииччннооюю ппррооггррааммооюю ддлляя ддооввккіілллляя ттаа ссттааллооггоо ууппррааввлліінннняя ппррииррооддннииммии рреессууррссааммии,, ззооккррееммаа ееннееррггіієєюю

ССббооррнниикк ннааууччнныыхх ттррууддоовв

ММеежжддууннааррооддннооггоо

ннааууччнноо--ппррааккттииччеессккооггоо

ссииммппооззииууммаа

««ННИИЗЗККОО--УУГГЛЛЕЕРРООДДННЫЫЕЕ

ООТТККРРЫЫТТЫЫЕЕ ИИННННООВВААЦЦИИИИ

ДДЛЛЯЯ РРЕЕГГИИООННООВВ УУККРРААИИННЫЫ»»,,

ТТоомм 22

Донецк - 2012 ППррооеекктт ффііннааннссууєєттььссяя ЄЄввррооппееййссььккиимм ССооююззоомм

ППррооеекктт ррееааллііззууєєттььссяя ДДооннееццььккиимм ннааццііооннааллььнниимм ууннііввееррссииттееттоомм,, УУккррааїїннаа

LCOI-Reviews, No. 11, 2012

2

УДК 504.062.2, 504.062.4, 504.7 ББК 20.1, 20.3 С 232 Сборник научных трудов Международного научно-практического симпозиума «НИЗКО-УГЛЕРОДНЫЕ ОТКРЫТЫЕ ИННОВАЦИИ ДЛЯ РЕГИОНОВ УКРАИНЫ», Том 2 / Под общ. ред. С.В. Беспаловой и Н.С. Шеставина // LCOI-Reviews, No. 11, 30.11.2012. – Донецк: Юго-Восток, 2012. – 122 с. В Сборнике научных трудов Международного научно-практического симпозиума «НИЗКО-УГЛЕРОДНЫЕ ОТКРЫТЫЕ ИННОВАЦИИ ДЛЯ РЕГИОНОВ УКРАИНЫ» представлены научные статьи по вопросам исследования и разработки низко-углеродных технологий в Украине и мире. Широкое внедрение эти технологии в энергетике, промышленности и сельском хозяйстве должно содействовать процессу стабилизации климата в глобальных масштабах. Указанные направления исследований и разработок сейчас развиваются фактически во всех университетах и научных институтах мира, в том числе и украинские ученые принимают активное участие в работе над такими задачами. Сборник предназначен для научных и инженерно-технических работников, преподавателей высших учебных заведений, аспирантов и студентов естественно-научных и экономических специальностей. Редакционная коллегия: д.ф.-м.н., проф. Беспалова С.В. (отв. редактор), д.т.н., проф. Семко А.Н. (зам. отв. редактора), к.т.н. Шеставин Н.С. (отв. секретарь), д.т.н., проф. Недопекин Ф.В., к.т.н., с.н.с. Бескровная М.В., к.б.н., доц. Сафонов А.И., к.т.н. Казак О.В. Компьютерная верстка: вед. инж. Рева Е.В. Адрес редакции: 83050, г. Донецк, ул. Щорса, 46/616, Донецкий национальный университет, Биологический факультет, Центр передачи низко-углеродных открытых инноваций, Web: www.lcoir-ua.eu , E-mail: lcoir@ukr.net

Мнения, отраженные в этой публикации, не обязательно совпадают с взглядами Европейской Комиссии и Правительства Украины

© Донецкий национальный университет, 2012 © Коллектив авторов, 2012

LCOI-Review, No. 11, 2012

3

СОДЕРЖАНИЕ Беспалова С.В. Результаты работы Международного научно-практического симпозиума «НИЗКО-УГЛЕРОДНЫЕ ОТКРЫТЫЕ ИННОВАЦИИ ДЛЯ РЕГИОНОВ УКРАИНЫ»

5

Анциферов А.В., Киселев Н.Н., Туманов В.В., Филатов В.Ф. Оптимизация размещения подземных хранилищ СО2 и обеспечение мониторинга их состояния комплексом геофизических методов

8

Бескровная М.В., Юрченко В.В. Кобченко М. Определение пористости горных пород, перспективных для геологического хранения СО2, по данным рентгеновской томографии на синхротроне

12

Бодряга В.В., Недопекин Ф.В., Кравец В.А., Насанова Ю.В. Экологическая проблема утилизации графитной спели на металлургических предприятиях

16

Бондаренко И.В. Об экологизации инноваций аграрных машин

21

Высоцкий С.П. Выбор направлений снижения эмиссии углекислого газа

23

Зробок Я.Я. Аналіз та перспективи використання нових технологій в твердопаливній енергетиці та шляхи використання низькосортних енергетичних палив

30

Іншеков Є.М., Ковальчук А.М., Кокоріна М.Т. Атлас пріоритетних низьковуглеводних технологій генерації енергії на основі відновлюваних та нетрадиційних джерел енергії для регіонів України

33

Казак О.В., Шеставин Н.С. О возможности использования воздушного террикона для улавливания пыли и углекислого газа на перекрестках автомобильных дорог

38

Лучина А.Ю., Бескровная М.В. Возможности применения процесса ANAMMOX для уменьшения выбросов СО2 в результате биологической очистки сточных вод

45

Осетров В.В. Геологические перспективы хранения СО2 в палеозойских осадочных отложениях Донбасса

50

Савкевич А.В., Чеботова Е.Н., Шеставин Н.С. Критическое сравнение теорий «Пределов роста», «Зеленого роста» и «Углеродного следа»: практика внедрения низко-углеродных открытых инноваций как инструментов стабилизации климата

53

Сафонов А.И. Методы биомониторинга возможных утечек СО2 их хранилищ

59

LCOI-Reviews, No. 11, 2012

4

Семко А.Н., Бескровная М.В., Украинский Ю.Д., Виноградов С.А., Грицына И.Н. Тушение газовых факелов импульсными струями жидкости высокой скорости

64

Стеблина М.О. Вибір критерія безпеки при витяганні складових частин капсуля методом ультразвукової дії

69

Тараріко Ю.О., Козаченко О.А. Перспективи розвитку агросфери України на низько-вуглецевій основі

74

Тимошенко Н.С., Семко А.Н., Тимошенко С.Н. Снижение выбросов углекислого газа из дуговой сталеплавильной печи на основе совершенствования системы газоудаления

79

Фоменко В.Г., Филипенко С.И. Перспективы развития малой электроэнергетики в Приднестровье

84

Шапарь А.Г., Скрипник О.А. Сокращение эмиссии парниковых газов путем формирования вторичных экосистем на землях, измененных в результате антропогенного воздействия

90

Шеставин Н.С. Оценка потенциала источников и поглотителей СО2 на востоке Украины: перспективные направления транспортировки СО2.

95

Abstracts

109

Анотації

113

Аннотации

117

Загальна інформація про проект «Низько-вуглецеві можливості для індустріальних регіонів України (LCOIR-UA)»

121

LCOI-Review, No. 11, 2012

5

РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

МЕЖДУНАРОДНОГО НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКОГО СИМПОЗИУМА «НИЗКО-УГЛЕРОДНЫЕ ОТКРЫТЫЕ ИННОВАЦИИ

ДЛЯ РЕГИОНОВ УКРАИНЫ»

Беспалова С.В. Донецкий национальный университет, Донецк, Украина

Первый международный научно-практический симпозиум «НИЗКО-УГЛЕРОДНЫЕ ОТКРЫТЫЕ ИННОВАЦИИ ДЛЯ РЕГИОНОВ УКРАИНЫ (LCOIR-UA-2012)» был открыт 23 октября 2012 года на стартовом мероприятии - Круглом столе «Проект региональной дорожной карты внедрения технологий улавливания и хранения диоксида углерода на востоке Украины». Круглый стол проводился в рамках проекта «Низко-углеродные возможности для индустриальных регионов Украины (LCOIR-UA)», реализуемого Донецким национальным университетом и финансируемого Европейским Союзом.

В работе круглого стола приняли участие более 50 представителей региональных органов управления, науки, образования и бизнеса, а также представители зарубежных стран: Великобритании, Италии, Литвы, Норвегии, Польши и Франции.

Круглый стол проходил в Интерактивном научно-методическом центре по передаче низко-углеродных открытых инноваций (Центр LCOIR), который создан в рамках проекта LCOIR-UA и позволяет осуществлять интерактивное взаимодействие участников круглого стола, находящихся в любой стране мира, а также выполнять прямую трансляцию заседаний круглого стола через главную страницу веб-сайта проекта: www.lcoir-ua.eu.

На круглом столе были обсуждены следующие вопросы: - экономические, правовые, социальные и экологические аспекты внедрения низко-

углеродных инноваций в Украине; - возможности улавливания СО2 на украинских угольных электростанциях; - перспективы энергосбережения и повышения энергоэффективности в энергетике,

промышленном и коммунальном секторах восточных регионов Украины; - оценки потенциала геологического хранения диоксида углерода для востока

Украины; - проект рекомендаций по внедрению технологий улавливания и хранения диоксида

углерода в восточных регионах Украины. В работе круглого стола приняли участие: г-н Эрленд ФЬЙОСНА, директор программ

и г-н Кайт УИРИСКИ, советник по вопросам энергетики и улавливания и хранения СО2 Международного фонда «БЕЛЛОНА» (Норвегия); г-жа Эллина ЛЕВИНА, аналитик по вопросам энергии Международного энергетического агентства (Франция, он-лайн); д-р Сергио ПЕРСОГЛИЯ, генеральный секретарь Европейской ассоциации экспертов по геологическому хранению СО2, (Италия, он-лайн); д-р Адам ВОДЖИСКИ, руководитель департамента структурного геологического картирования Польского геологического института НИИ (Польша, он-лайн); проф. Саулиус СЛИАУПА, руководитель департамента региональной геологии Института геологии и географии Литовского центра исследований природы (Литва, видео), д-р Вард ГОЛДТОРПЕ, управляющий программами улавливания и хранения углерода фирмы «Зе Кровн Естеит» (Великобритания, он-лайн); а также проф. Сергей ВЫСОЦКИЙ, заведующий кафедрой экологии и природопользования АДИ Донецкого национального технического университета, д.т.н.; Николай КИСЕЛЕВ, директор Научно-технического центра охраны недр и сооружений при УкрНИМИ НАН Украины, к.г.-м.н.; Юрий ОЗЕРСКИЙ, директор Украинского института энергоэффективности и низкокарбоновых технологий, к.т.н.; Алексей МИХАЙЛОВ, менеджер дирекции по генерации электроэнергии Донбасской топливно-энергетической компании (ДТЭК).

LCOI-Reviews, No. 11, 2012

6

Были заслушаны и обсужденны следующие презентации:

- Предварительные результаты выполнения проекта «Низко-углеродные возможности для индустриальных регионов Украины» - Рекомендации по внедрению технологий улавливания и хранения диоксида углерода на востоке Украины;

- Улавливание и хранение СО2 в Украине и коммерческая цепочка создания стоимости;

- Улавливание и хранение СО2: критическое десятилетие, чтобы реализовать свой потенциал по сокращению выбросов парниковых газов;

- Проекты улавливания и хранения СО2 в Польше; - Технологии геологического хранения СО2 – интеграция исследований; - Развитие технологий улавливания и хранения СО2 в Великобритании; - Геологическое хранению СО2 в Италии; - Выбор направлений снижения эмиссии углекислого газа; - Разработка основ оптимизации размещения подземных хранилищ СО2 в условиях

индустриальных регионов Украины и обеспечения мониторинга их состояния с земной поверхности комплексом геофизических методов;

- От высокой энергоэффективности к низким выбросам парниковых газов: внедрение Европейского опыта и наилучших практик в Украине;

- Ответственность и возможности бизнеса в противодействии изменению климата; - Представление украинского перевода брошюры Европейской ассоциации

СО2ГеоНет «Что в самом деле означает геологическое хранение СО2?». 29 ноября 2012 года состоялось второе, заключительное мероприятие симпозиума:

Интернет-конференция – теле-мост Донецк-Луганск, в котором приняло участие более 100 докладчиков, слушателей в студиях Донецка и Луганска, зрителей прямой трансляции заседаний этой конференции из ряда городов Украины (Донецк, Луганск, Запорожье, Днепропетровск, Харьков, Киев и другие), а также из зарубежных стран (Италия, Норвегия, Германия, Великобритания и другие).

На Интернет-конференции были заслушаны обзорные доклады на следующие темы: - Глобальное изменение климата и региональные экологические проблемы; - Система мониторинга окружающей среды в Луганской области - Перспективы внедрения в Украине климатических инноваций, включая чистые

угольные технологии и технологии улавливания и хранения СО2; - Использование импульсных струй жидкости высокой скорости для тушение газовых

факелов; - Методы биомониторинга возможных утечек СО2 из хранилищ; - Перспективы ветроэнергетики Украины; - Использование данных рентгеновской томографии на синхротроне для определения

пористости горных пород, перспективных для геологического хранения СО2; - Снижение выбросов СО2 в различных отраслях промышленности Украины; - Выделение СО2 в результате биологической очистки сточных бытовых вод; - Лекционный курс: Изменение климата и необходимость в улавливании и хранении

диоксида углерода; - Структура и виды солнечных элементов, рекомендуемых для применения на

территории Украины; - Технологии захвата углерода, развитие и возможности метода захвата после

сжигания; - Технологии очистки воздуха от техногенных загрязнений и методы снижения

выбросов вредных газовых примесей; - Проблема загрязнения атмосферы парниковыми газами в сталеплавильном

производстве; - Перспективы хранения СО2 в палеозойских осадочных отложениях Донбасса.

LCOI-Review, No. 11, 2012

7

Ниже представлены несколько фотографий с этих мероприятий:

LCOI-Reviews, No. 11, 2012

8

ОПТИМИЗАЦИЯ РАЗМЕЩЕНИЯ ПОДЗЕМНЫХ ХРАНИЛИЩ СО2 И

ОБЕСПЕЧЕНИЕ МОНИТОРИНГА ИХ СОСТОЯНИЯ КОМПЛЕКСОМ ГЕОФИЗИЧЕСКИХ МЕТОДОВ

Анциферов А.В., Киселев Н.Н., Туманов В.В., Филатов В.Ф.

УкрНИМИ НАН Украины, Донецк, Украина Предложено использование комплекса геофизических методов для оптимизации размещения

подземных хранилищ СО2 в условиях индустриальных регионов Украины и мониторинга их состояния в процессе эксплуатации.

Выполняемый Донецким национальным университетом по грантовому контракту

Евросоюза проект «Низко-углеродные возможности для индустриальных регионов Украины (LCOIR-UA)» определяет три основных типа формаций, в которых возможно геологическое хранение СО2 [1]:

- Истощенные или находящиеся на стадии истощения нефтегазоносные бассейны; - Глубоко залегающие соленосные формации; - Не имеющие промышленного значения угольные пласты. Исходя из анализа результатов зарубежного опыта по хранению СО2 с учетом

особенностей геологического строения Донецкого бассейна, авторами определен ряд районов восточной Украины потенциально пригодных для хранения диоксида углерода. Выбор районов осуществлен на основании результатов поисковых и геологоразведочных работ выполненных специализированными предприятиями в разные годы.

Вместе с тем, геологическая среда востока Украины находится в эволюционном состоянии под влиянием промышленной агломерации. Рассматриваемая территория в значительной мере урбанизирована, характеризуется высокой концентрацией промышленного производства, оказывающего негативное влияние на геологический массив. Только в Донецкой области насчитывается свыше 800 промышленных и 470 сельскохозяйственных предприятий, здесь сосредоточена основа горно-металлургического, химического и машиностроительного комплекса страны.

Значительное влияние на состояние геологического массива территории оказывает изменение гидрогеологической ситуации, вызванное закрытием и затоплением угольных шахт, что приводит к оседаниям земной поверхности над горными выработками, подъему уровня подземных вод и становится одним из факторов нарушения равновесия геологической среды.

Большинство перспективных площадок расположено в зоне покровных слабо-водопроницаемых грунтов, подстилаемых водоупорными породами тектонически нарушенного, геомеханически нестабильного и литологически контрастного массива горных пород.

Следовательно, для обеспечения надежного хранения диоксида углерода в геологических формациях на востоке Украины необходимо произвести качественную оценку потенциальных хранилищ, выбрать наиболее соответствующие условиям долгосрочного хранения СО2 и обеспечить надежную систему мониторинга их состояния в процессе эксплуатации.

Решение задачи оптимизации размещения подземных хранилищ СО2 и обеспечения мониторинга их состояния с земной поверхности по мнению специалистов УкрНИМИ НАН Украины возможно с использованием комплекса геофизических методов. Под комплексом геофизических методов понимается угольная трехмерная (3D) сейсморазведка и глубинное магнитотеллурическое зондирование (МТЗ, АМТЗ) в сочетании с газовой съемкой (CO2, CH4 и др.) на поверхности над хранилищем CO2 (рис. 1-3).

LCOI-Review, No. 11, 2012

9

Указанный комплекс методов позволит оценить физико-механические и водно-

физические характеристики массива, предварительно выбранного для использования под хранилище CO2, и в т.ч., провести оценку его трещиноватости и наличие путей фильтрации CO2 из хранилища на поверхность и в окружающую среду с определением возможных экологических рисков будущей эксплуатации объекта. При этом будут получены данные, позволяющие достаточно детально расчленить массив как по вертикали, так и по латерали.

Опыт применения указанных методов для решения аналогичных задач изложен в справочной и технической литературе [2, 3].

Рис. 1. Визуализация положения тектонического нарушения как результат интерпретации геофизических и деформационных аномалий, с детализацией профильных линий наблюдения и литологических неоднородностей

LCOI-Reviews, No. 11, 2012

10

10 20 30 40 50 60 70 80 90

-20

-10

10 20 30 40 50 60 70 80 90

-20

-10

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

-20

-10

ПРОФИЛЬ № 1

ПРОФИЛЬ № 2

ПРОФИЛЬ № 3

пикеты, м

пикеты, м

пикеты, м

Шкала нормированой спектральной плотности акустических сигналов, дБ-36-30-24-18-12-10-8-6-30

глубина,

мглубина,

мглубина,

м

0 10 20 30 40 50

Рис. 2. Результаты сейсмоакустического зондирования по профилям

LCOI-Review, No. 11, 2012

11

Рис. 3. Временные глубинные и сейсмологические разрезы Выводы Оптимизация размещения подземных хранилищ СО2 и мониторинг их состояния в

процессе эксплуатации в условиях индустриальных регионов Украины – новое направление инженерно-геологических изыскательских работ, которое может быть реализовано с земной поверхности с использованием комплекса методов геофизики.

Список использованной литературы 1. Проект «Низко-углеродные возможности для индустриальных регионов Украины

(LCOIR-UA)» [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://www.lcoir-ua.eu/ 2. Огильви А.А. Основы инженерной геофизики.– М.: Недра, 1990. – 468 с. 3. Никитин В.Н. Основы инженерной сейсмики. – М.: МГУ, 1981.– 176 с.

LCOI-Reviews, No. 11, 2012

12

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОРИСТОСТИ ГОРНЫХ ПОРОД, ПЕРСПЕКТИВНЫХ

ДЛЯ ГЕОЛОГИЧЕСКОГО ХРАНЕНИЯ СО2, ПО ДАННЫМ РЕНТГЕНОВСКОЙ ТОМОГРАФИИ НА СИНХРОТРОНЕ

Бескровная М.В., Юрченко В.В., Kобченко М.*

Донецкий национальный университет, Донецк, Украина * Университет г.Осло, Осло, Норвегия

В статье были исследованы результаты опытов по определению пористости образцов песчаников,

взятые из скважин, пробуренных в пределах Беляевского купола вблизи с. Беляевка, Первомайского района, Харьковской области. Используя программное обеспечение Avizo Fire, было исследовано 4 образца при двукратном и десятикратном увеличении.

Одним из их ключевых газоемкостных параметров пород является пористость,

которая определяется как отношение объема пор ко всему объему породы. В связи с отсутствием возможности специального взятия образцов из потенциальных участков, пригодных для хранения СО2 [1, 2], были использованы образцы, которые ранее брались для других целей из осадочных отложений Донбасса, но имеющие близкое местонахождение к потенциальным участкам хранения СО2 и относящиеся к соответствующим горизонтам. Поэтому для исследований пористости были использованы образцы песчаника (табл. 1), взятые из скважин, пробуренных в пределах Беляевского купола вблизи с. Беляевка, Первомайского района, Харьковской области.

Табл. 1. Параметры образцов песчаника для определения пористости

Номер образца 1 2 3 4 Номер скважины 8 5 31 10 Глубина скважины, м 210 323 349 343

Для исследований были выбраны образцы пород в форме цилиндров высотой 20 мм и

диаметром 8 мм. Предварительные оценки пористости были получены методом рентгеновской компьютерной томографии. Эти исследования проводились в Европейском Центре Синхротронного Излучения, Grenoble (France). Затем полученные данные обрабатывались в Avizo Fire.

Используя программное обеспечение Avizo Fire, было исследовано 4 образца при двукратном и десятикратном увеличении. Для вычисления объема пористости необходимо выполнить следующие действия: убрать «шум»; удалить матричный материал (породу), оставляя только поры; выполнить трехмерное восстановление пор и подсчет объема пор.

Для устранения «шума» необходимо отфильтровать изображение (рис. 1). В данной программе существует различные варианты фильтров. В нашем случае, выбор осуществлялся между двумя фильтрами: Edge-preserving и Median.

На первый взгляд, может показаться, что данные, обработанные фильтром Edge-preserving – более сглаженные, однако, при ближайшем рассмотрении, видно, что границы пор размыты (что приводит к потере некоторых данных), а также появляются дополнительные вкрапления. Поэтому предпочтение было отдано фильтру Median. На рис. 1 представлены для сравнения оригинальные данные (а) и данные, отфильтрованные с помощью фильтра Median (б).

Далее необходимо удалить матричный материал (породу), оставляя только поры. Для этого используется функция Thresholding (пороговая классификация). На рис. 2 показаны поры, выделенные из общего массива данных, для образцов 1 и 2 соответственно (при десятикратном увеличении).

LCOI-Review, No. 11, 2012

13

а) Оригинальные данные

б) Данные, обработанные фильтром Median

Рис. 1. Пример фильтрации данных

а) Образец 1

б) Образец 2

Рис. 2. Результат использования функции Thresholding С помощью функции I_analyze производятся расчеты количества и объема пор. После

чего в объемном изображении мы можем видеть прорисовку всех пор, где каждым отдельным цветом (оттенком серого) показаны цельные поры – кластеры взаимосвязанных пор, в которых может храниться СО2 в сверхкритическом состоянии (рис. 3-4).

а) Образец 1

б) Образец 2

Рис. 3. Процесс расчета объемного восстановления пор

LCOI-Reviews, No. 11, 2012

14

Суммируя объемы всех пор и учитывая значение объема образца можно определить

относительный объем пор (табл. 2), то есть пористость. Табл. 2. Статистика определения пористости

Номер образца

Увеличе-ние

Минимальный объем пор,

м3

Максималь-ный объем пор, м3

Среднее значение,

м3

Медианное значение,

м3

Среднеквадратичное отклонение

Относительный объем пор, %

1 2 2,18861Е-17 4,59834Е-11 1,42973Е-15 8,75446Е-17 8,46907Е-14 0,01381 1 10 1,75089E-19 7,13294E-12 1,06747E-16 2,10106E-18 2,32723E-14 0,03206 2 2 2,18861Е-17 1,50799Е-11 1,62297Е-15 1,53203Е-16 4,24641Е-14 0,01389 2 10 1,75089Е-19 9,21765Е-13 6,33780Е-17 5,42775Е-18 3,04981Е-15 0,02661 3 10 1,75616Е-19 2,28021Е-12 7,96444Е-17 2,10739Е-18 7,75357Е-15 0,02503 4 2 2,18861Е-17 1,00121Е-11 3,68775Е-16 4,37721Е-17 1,38530Е-14 0,01350 4 10 1,75089Е-19 2,10844Е-12 4,05574Е-17 5,25266Е-19 5,11583Е-15 0,01751

На рис. 4 представлены результаты объемного восстановления пор для четырех

образцов при различных увеличениях.

а) Образец 1 (двукратное увеличение)

в) Образец 2 (двукратное увеличение)

б) Образец 1 (десятикратное увеличение)

г) Образец 2 (десятикратное увеличение)

LCOI-Review, No. 11, 2012

15

д) Образец 3 (двукратное увеличение)

е) Образец 3 (десятикратное увеличение)

ё) Образец 4 (двукратное увеличение)

ж) Образец 4 (десятикратное увеличение)

Рис. 4. Результаты объемного восстановления пор Полученные значения пористости образцов взятых из скважин, пробуренных в

пределах Беляевского купола вблизи с. Беляевка, Первомайского района, Харьковской области (около 3%) и обработанные с использованием программного обеспечения Avizo Fire, при двукратном и десятикратном увеличении, позволяют сделать вывод о перспективности использования осадочных отложений Донбасса [3] для долговременного хранения СО2.

Выражаем благодарность Осетрову В.В., геологу ГРГП «Донецкгеология», за предоставленные образцы пород и профессору Кристиану Дише (Университет г. Осло, Норвегия), за предоставленную возможность использования оборудования.

Список использованной литературы 1. IPCC, 2005: IPCC Special Report on Carbon Dioxide Capture and Storage. Prepared by

Working Group III of the Intergovernmental Panel on Climate Change [Metz, B., O. Davidson, H. C. de Coninck, M. Loos, and L. A. Meyer (eds.)]. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA, 442 pp.

2. Carbon sequestation atlas of the United States and Canada. National Energy Technology Laboratory. U.S. Department of Energy. Office of Fossil Energy. 2007.

3. Баранов В.А. Влияние структуры на пористость песчаников Донбасса / В.А. Баранов. – Геотехническая механика, № 88, 2010. – С. 70-76.

LCOI-Reviews, No. 11, 2012

16

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ПРОБЛЕМА УТИЛИЗАЦИИ ГРАФИТНОЙ СПЕЛИ

НА МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРЕДПРИЯТИЯХ

Бодряга В.В.1,Недопекин Ф.В.1, Кравец В.А.2, Насанова Ю.В.2

1 Донецкий национальный университет, Донецк, Украина 2 Донбасская академия строительства и архитектуры, Макеевка, Украина

Рассматривается экологическая проблема утилизации графитной пыли на металлургических

предприятиях. Исследованы свойства графитсодержащей пыли и проведен анализ существующих технологий обогащения графитовой пыли.

Введение Экологические проблемы являются в настоящее время фактором, ограничивающим

развитие чёрной металлургии. В частности, к серьёзным проблемам следует отнести загрязнение атмосферы бурым дымом - специфическим видом пыли, образующейся в ходе технологических процессов в доменных и сталеплавильных цехах [1]. Традиционным методом снижения выбросов бурого дыма является отвод выбросов от мест образования при помощи дымососа, улавливание отведённых выбросов в фильтрах и сброс очищенного газа в атмосферу [2]. Недостатком традиционного метода являются значительные капитальные и эксплуатационные затраты [1].

Кроме бурого дыма другим заметным компонентом выбросов при переливах чугуна является крупнодисперсная графитсодержащая пыль (ГСП). Графит является ценным компонентом, который широко применяется в промышленности. В настоящее время графит либо добывают из графитовой руды, либо получают при пиролизе каменного угля.

Между тем, ресурсы графитового сырья в чёрной металлургии Украины таковы, что при сборе и утилизации всех графитсодержащих отходов можно полностью обеспечить потребности, как Украины, так и России. В связи с этим практический интерес представляет вопрос о свойствах ГСП, методах её обогащения и утилизации, а также о влиянии подачи азота на количество и химический состав ГСП.

В зависимости от вида технологической операции и конкретных условий перелива металла количество и химический состав ГСП изменяются в широких пределах. Пыль, выделяющаяся при переливах чугуна, состоит в основном, из двух компонентов: крупнодисперсной графитной спели и мелкодисперсного бурого дыма. Соотношение этих компонентов зависит от типа технологической операции и конкретных условий её протекания, но в среднем, содержание графитной спели составляет 25-35% при заливке и 20-35% при сливе чугуна, а остальную часть выбросов составляет бурый дым [3].

Графитная спель с содержанием углерода более 20% является ценным сырьём для графитовых заводов, на которых из неё изготавливают высокотемпературные сухие смазки для авиационно-космической техники. При этом, чем выше содержание углерода, тем выше цена графитсодержащих отходов. Однако пыль сильно загрязнена металлом и в большинстве случаев идёт в отвал. Поэтому актуальной является проблема изучения свойств ГСП и разработка методов её обогащения по углероду с целью последующей утилизации.

Исследование свойств графитовой пыли В связи с этим практический интерес представляет вопрос о свойствах ГСП, методах

её обогащения и утилизации. Исследование ГСП под микроскопом показало, что пыль неоднородна по своему составу и содержит два вида частиц, отличающихся по своим свойствам и происхождению. Это пластины графитной спели и застывшие, частично окисленные, брызги металла. Они имеют сферическую форму, большинство брызг располагаются отдельно от частиц графита, но часть брызг вкраплена в структуру пластин графитовой спели.

LCOI-Review, No. 11, 2012

17

Значительная часть исследований проводилась в миксерном отделении конвертерного

цеха металлургического комбината «Азовсталь». Исследовались свойства пыли, отобранной из бункеров циклонов ЦН-15 аспирационной системы миксеров №1 и№2 конвертерного цеха.

Исследование ГСП под микроскопом показало, что пыль неоднородна по своему составу и содержит два вида частиц, отличающихся по своим свойствам и происхождению. Это пластины графитной спели и застывшие, частично окисленные, брызги металла. На рис 1 показана фотография пыли, уловленной циклонами.

Рис. 1. Вид под микроскопом графитсодержащей пыли из бункеров циклонов ЦН-15

системы аспирации миксерного отделения ККЦ меткомбината «Азовсталь», увеличение в 18,5 раз

Фотографии выполнены через объектив оптического микроскопа, в проходящем

свете. Видно, что брызги металла имеют сферическую форму, большинство брызг располагаются отдельно от плоских частиц графита, но часть брызг вкраплена в структуру пластин графитовой спели.

Ситовый состав ГСП приведен в табл. 1. Пыль исследовалась также путём магнитной сепарации. Брызги чугуна в лабораторных условиях отделялись от графита при помощи магнита.

Из табл. 1 видно, что магнитная фракция пыли составляет более 70% по массе, а графитная спель лишь около 30% общего количества ГСП.

При этом металлические брызги сосредоточены в мелких фракциях, преимущественно менее 50 мкм, а во фракциях более 180 мкм практически отсутствуют. Среднемедианный размер брызг металла составил 72 мкм. Пластины графитной спели, напротив, сосредоточены в крупных фракциях и полностью отсутствуют во фракциях менее 63 мкм. Среднемедианный плоскостной размер пластин графита составил около 300 мкм. Среднемедианный диаметр всей пыли, уловленной циклонами, составил 135 мкм.

Наличие значительного количества металла в ГСП делает эту пыль менее ценной для графитовых заводов, которые установили дифференцированные цены на ГСП в зависимости от содержания углерода, и затрудняет её утилизацию.

LCOI-Reviews, No. 11, 2012

18

Табл. 1. Ситовый состав ГСП из бункеров циклонов ЦН-15 миксерного отделения

ККЦ металлургического комбината «Азовсталь»

Фракция, мм Доля фракции, % по массе

Содержание магнитной части (чугун), % к общему

количеству пыли

Содержание немагнитной части (графит), % к

общему количеству пыли +2,5 - - -

1,6-2,5 0,08 - 0,08 1,0-1,6 0,3 - 0,3 0,4-1,0 4,0 0,1 3,9

0,315-0,4 3,7 0,16 3,54 0,18-0,315 9,4 0,5 8,9 0,125-0,18 9,9 2,7 7,2 0,1-0,125 7,6 4,5 3,1 0,071-0,1 17,8 15,5 2,3

0,063-0,071 5,6 5,52 0,08 0,05-0,063 10,8 10,8 -

-0,05 30,82 30,82 - Всего 100 % 70,6 % 29,4 %

В табл. 2 приведен химический состав пыли из бункеров циклонов ЦН-15 миксерного

отделения ККЦ меткомбината «Азовсталь». Содержание углерода в ГСП составляет всего 11%. Основную массу ГСП составляет окисленное железо.

Исследованиями в промышленных условиях установлено, что при применении пылеподавления азотом концентрация крупнодисперсной графитсодержащей фракции в выбросах изменяется незначительно. Так, в миксерном отделении конвертерного цеха комбината «Азовсталь» концентрация ГСП перед циклонами при подаче азота снижалась на 10-15%, что сопоставимо с погрешностью измерения (при снижении концентрации бурого дыма на 85%).

Подача в ковш газообразного азота приводит к изменению химического состава графитсодержащей пыли. В табл. 2 приведены средние значения содержания различных компонентов в пыли, отобранной из бункеров циклонов ЦН-15 в миксерном отделении конвертерного цеха комбината «Азовсталь» при систематической работе установки пылеподавления азотом.

Табл. 2. Химический состав графитсодержащей пыли, уловленной циклонами ЦН-15, при сливе чугуна из миксера в ковш в миксерном отделении ККЦ меткомбината «Азовсталь»

Содержание компонентов, % по

массе Feмет FeO Fe2O3 CaO SiO2 C Другие

компоненты

При сливах без пылеподавления 3,3 8,4 73 1,7 2,2 11 0,4

При подаче азота с расходом 8500 м3/ч 5,0 10,2 53,1 2,0 2,1 27,5 0,1

При подаче азота и отделении брызг металла магнитом

8,58 0,8 4,51 Анализ не

делался 15,5 57,7 12,91

Как видно из табл. 2, применение пылеподавления азотом приводит к значительному

повышению содержания углерода в ГСП за счёт снижения доли оксидов железа. Графитовые заводы охотно принимают на переработку ГСП с содержанием углерода в пыли не ниже 20%. Графитсодержащие отходы, содержащие от 5% до 19% углерода, считаются некондиционными и принимаются по существенно сниженным ценам. Отходы, содержащие менее 5% углерода, не принимаются. То есть, улавливаемая циклонами графитсодержащая пыль, при подаче азота становится товарным продуктом, пригодным для утилизации.

LCOI-Review, No. 11, 2012

19

Таким образом, при подаче азота произошло изменение состава ГСП. Снизилось

количество мелких металлических частиц, и возросла доля графитной спели. При этом общее количество ГСП изменилось незначительно, вероятно, в результате эффекта аэродинамической завесы, препятствующей выносу из ковша мелких фракций пыли.

Одновременно при подаче азота уменьшился среднемедианный размер частиц графита с 500 мкм до 175 мкм, что можно объяснить механическим разрушением крупных и относительно непрочных пластин под воздействием струй газа.

На рис. 2 показана фотография частички графитной спели. Из фотографии видно, что графитная спель состоит из сросшихся краями и наложенных друг на друга кристаллов графита характерной гексагональной формы. На пластинах графита видны светлые вкрапления. Съемка в характеристическом излучении Fekα показала, что эти вкрапления содержат железо.

а) б)

Рис. 2. Частичка графита. Фракция 140-315 мкм. РЭМ. Контраст во вторичных

электронах (а), и в характеристическом излучении Fekα (б). Увеличение: х1500. Горизонтальный размер снимка соответствует размеру 90 мкм.

Рис. 3. Вид с ребра частички графитной спели. РЭМ. Контраст в отражённых электронах. Фракция 140-345 мкм. Увеличение: х1500 раз. Горизонтальный размер снимка соответствует размеру 90 мкм.

LCOI-Reviews, No. 11, 2012

20

На рис.3 показана частица спели, снятая с ребра. Видно, что частица состоит из

нескольких слоёв кристаллического графита, между которыми имеются вкрапления металла, которые сосредоточены в неровностях рельефа. Толщина отдельных слоёв графита составляет 0,6-0,8 мкм, общая толщина пластины, состоящей из нескольких слоёв, составила 14,8 мкм, край пластины расщеплён.

Оценка распределения вкраплений показала, что они гуще расположены в местах неровностей рельефа на поверхности пластин (поры, щели, выступы на стыке кристаллов и т.д.). В то же время в местах неровностей рельефа вкрапления металла образуют скопления, вплоть до сплошного слоя, размеры скоплений могут достигать нескольких десятков мкм. Учитывая совокупность свойств можно сделать вывод, что вкрапления железа образуются на поверхности графита в результате конденсации паров железа из газовой фазы.

Методы обогащения графитсодержащей пыли и её утилизации Как видно из результатов исследования свойств ГСП, основной примесью к графиту

являются соединения железа, которые содержатся в пыли в двух основных формах: в виде сферических брызг чугуна и в виде микроскопических вкраплений железа на поверхности графита (преимущественно в местах неровностей рельефа пластин). Поэтому и методы обогащения ГСП также можно разделить на две группы:

1. Отделение брызг металла. 2. Уменьшение количества адсорбированного на поверхности пластин графита

железа. Отделение брызг металла можно осуществить, используя различия в свойствах

графита и чугуна. Можно применить магнитную сепарацию или отделение мелких фракций ГСП, в которых содержится основная масса брызг.

Как было показано выше, применение пылеподавления азотом приводит к повышению доли графита в ГСП и снижению количества адсорбированного на частицах спели железа. За счёт подачи азота удаётся увеличить долю углерода в 2-3,5 раза. При этом содержание углерода в пыли тем выше, чем больше достигнутая степень пылеподавления.

Учитывая, что крупнодисперсная фракция пыли, улавливаемая циклонами ЦН-15, содержит кроме графитной спели значительное количество застывших брызг чугуна, можно дополнительно обогатить ГСП методом магнитной сепарации. В табл. 2 приведен химический состав немагнитной фракции пыли, отделённой в лабораторных условиях от ГСП, которая была уловлена циклонами в миксерном отделении конвертерного цеха меткомбината «Азовсталь», и которая содержала первоначально 27,5% углерода (аспирационная система эксплуатировалась при систематической подаче азота на пылеподавление). При этом достигнуто повышение содержания углерода до 57,7% (табл.2).

Выводы. Определено, что уловленная циклонами пыль, при применении пылеподавления

азотом или азотно-водным аэрозолем содержит более 30% углерода и становится товарным продуктом для графитовой промышленности.

Обогащая уловленную пыль дополнительно, можно повысить процентное содержание углерода, что повысит доходы и решает проблему ее утилизации.

Список использованной литературы 1. Кравец В.А. Подавление бурого дыма при переливах чугуна / В.А. Кравец //

Монография. – Донецк: Издательство «УкрНТЭК» – 2002–186 с. 2. Старк С.Б. Газоочистные аппараты и установки в металлургическом производстве.

– М.: Металлургия, 1990. – 400 с. 3. Андоньев С.М., Зайцев Ю.С., Филипьев О.В. Пылегазовые выбросы предприятий

чёрной металлургии. – Харьков-Енакиево: Издательство «ЕМЗ», 1998. – 248 с.

LCOI-Review, No. 11, 2012

21

ОБ ЭКОЛОГИЗАЦИИ ИННОВАЦИЙ АГРАРНЫХ МАШИН

Бондаренко И.В.

Донецкий национальный технический университет, Донецк, Украина

За время независимости Украины в агропромышленном секторе страны

сформировался комплекс агроэкологических проблем, как следствие применения устаревших технологий и оборудования. На сегодняшний день, износ машинно-тракторного парка достигает 70-90 %. Нужно отметить, что показатель модернизации и обновления отраслевой спецтехники по состоянию на 2010 год составил лишь 5,4 % [1].

Основными экологическими составляющими данной проблематики отрасли является: - высокий уровень потребления топливных энергоресурсов при эксплуатации

устаревшей сельхозтехники; - моральное старение и физический износ сельхозтехники и гравитационная

перегрузка почв при использовании тяжёлых тракторов для аграрных работ [2]; - загрязнение атмосферного воздуха выхлопными газами, образующимися при работе

сельхозтехники. Все это требует экологически ориентированной модернизации существующего сельскохозяйственного технопарка и экологизации инновационного процесса создания новых отраслевых технологий. Целью данной работы является разработка принципиально нового, альтернативного, экологически эффективного устройства, предназначенного для осуществления комплекса аграрных работ по обработки почв. Для решения указанных проблем в данной работе предлагается авторская разработка специализированного аграрного аппарата "Кругороб". Концепцией технического решения предлагается изменить существующее планирование сельскохозяйственных полей, а именно, изменить их традиционную форму (часто прямоугольную) на округлую. Также, одним из основных принципов проектирования аппарата "Кругороб", является приоритетность энергоавтономности устройства, которое достигается путём применения концепции МРА энергогенерирующих систем [3-4].

На рис. 1 представлен безтопливный агрегат для проведения сельскохозяйственных работ, функционирующий следующим образом: после установки предлагаемого агрегата в центральной части поля, устройство фиксируется путём естественной осадки односторонне заострённого основания 8 в грунт, после чего производятся энергогенерируемые манипуляции, включающие в себя оказание гравитационного воздействия на верхнее основание центрального динамичного пневмоцилиндра 2 вследствие размещения в нем человека.

Далее происходят следующие процессы: сжатие цилиндра 2 и спиральной пружины 3, что влечет за собой объёмное вытеснение сжатого воздуха из цилиндра через трубу 14 (например, оснащенную модификацией сопла Ловаля) в нижний турбинный отсек, приводя в эксплуатационное движение электрогенератор 11, путём струйного воздействия на лопасти 13. Воздух по мере накопления в отсеке, посредством клапанной трубы 18, поступает в межстенное пространство корпуса 1, где накапливается.

Вырабатываемый электрогенератором импульс передаётся по кабелю 16 на системный аккумулятор 9, где аккумулируется с возможностью дальнейшего потребления сгенерированной электроэнергии. После максимального сжатия цилиндра 2, следует прекратить гравитационное воздействие на него, что влечёт за собой автоматическое восстановление его формы путём подъёма пружины 3. При этом происходит обратное всасывание сжатого воздуха из межстенного пространства корпуса 1 в цилиндр 2 через оснащённую односторонним клапаном трубу 17.

LCOI-Reviews, No. 11, 2012

22

Далее приводится в эксплуатационное положение телескопический тяговый мост 5,

путём его выпрямления в шарнирном узле ответвления 15 и выдвижения секций моста до нужной длины, равной радиусу участка земли подлежащего обработки.

→

Рис.1. Принципиальная схема устройства «Кругороб» 1 – корпус; 2 – рабочий цилиндр; 3 - спиралевидная кинетическая пружина; 4 - электроприводное

ходовое колесо; 5 - телескопический тягловый рабочий мост; 6 - вращающийся корпус; 7 - ограничитель вращающегося корпуса; 8 - односторонне заострённое основание; 9 - системный аккумулятор; 10 - транспортировочное колесо (ролик); 11 - роторный электрогенератор; 12,13 - пневмоприводная труба; 14 – пневматически возвратный патрубок; 15 - шарнирное ответвление; 16 - электрокабель; 17 - промежуточный патрубок; 18 – спусковая труба; 19 - ручка для транспортировки агрегата; 20 - блок управления (тумблер); 21 – плуг для вспашки и удобрения почвы с пьезоприводным выпускающим клапаном

После выполнения указанных действий следует привести в рабочее состояние электродвигатель ходового колеса, предварительно подсоединив к мосту 5 плуг 21. При переключении тумблера 20 в состояние "«OF»→«ON»" происходит подача электроэнергии от аккумулятора 9 на электродвигатель приводного колеса посредством электрокабеля, проходящего внутри полых секций моста 5 и происходит вращение приводного колеса. Благодаря круговой троллейной борозде электропередачи, расположенной на внутренней поверхности вращающегося корпуса 6, энергоснабжение силового элемента сохраняется при вращении корпуса 6. Все перечисленные процессы приводят к осевому движению моста 5 и присоединенных к нему одного или нескольких плугов 21, что влечёт за собой возможность проведения комплексных круговых аграрных работ. В результате использования предлагаемого устройства могут быть решены вопросы энергосбережения, минимизации выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух и гравитационных перегрузок почв, что указывает на эффективность аппарата "Кругороб".

Список использованной литературы 1. Темпы обновления техники в АПК остаются на низком уровне [Электронный

ресурс] – Режим доступа: http://biz.liga.net/all/all/novosti/2045409-tempy-obnovleniya-tekhniki-v-apk-ostayutsya-na-nizkom-urovne.htm

2. Добровольский Г.В. Экология почв / Г. В. Добровольский, Е. Д. Никитин. – К.: Издательство МГУ, Наука, 2010 – 368 с.

3. Бондаренко И.В. Экологизация в аспекте инновации технологических процессов / И.В. Бондаренко. – К.: Освіта України, 2011. – 100 с.

4. Пат. №48686 Украины: МПК9 F 03C 99/00, F 03G 3/00. МРА-энергоколонна / И.В. Бондаренко; заявитель и патентообладатель И.В. Бондаренко. - № u 200911063; Заявл. 02.11.2009; Опубл. 25.03.2010. Бюл. № 6. – 4 с.

LCOI-Review, No. 11, 2012

23

100

101

2

3

4

5

6 7 8 9

20

30

40

50

60 70

2000 1950 τ, год →

1

2

3

1900

ВЫБОР НАПРАВЛЕНИЙ СНИЖЕНИЯ ЭМИССИИ УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА

Высоцкий С.П. Автомобильно-дорожный институт ГВУЗ «ДонНТУ», Горловка, Украина

Рассмотрены основные пути снижения эмиссии парниковых газов. Использование технологий

улавливания диоксида углерода, его транспортировки и захоронения приводит к существенному повышению стоимости электроэнергии. Перспективными направлениями для снижения эмиссии двуокиси углерода являются применение возобновляемых энергоресурсов и более эффективных технологий генерации тепловой и электрической энергии.

Основным источником эмиссии углекислого газа антропогенного происхождения

являются процессы сжигания топлива при производстве электрической (на тепловых электростанциях), тепловой (в различного рода коммунальных и производственных котельных) и механической энергии (в различного рода движущихся средствах). По оценкам экспертов предполагается, что в ближайшие 20 лет произойдет удвоение потребления энергии. При этом более 50% выработки энергии будет обеспечено за счет ископаемых источников энергии.

Анализ мирового потребления энергоресурсов при обработке статистических данных показал, что имеет место экспоненциальный рост численности населения Земли,

потребленных энергоресурсов и удельного энергопотребления (рис. 1).

В научных публикациях, в периодической печати прослеживается тенденция – единственным альтернативным энергоносителем для Украины является уголь. Однако объемы добычи угля постепенно снижаются. По существующим оценкам запасов угля промышленной категории в Украине хватит на 250-300 лет. Чтобы его добыть необходимы инвестиции и новые технологии, так как 80 % оборудования ТЭК физически и морально устарели. Удельные затраты энергоресурсов на добычу 1 тонны угля весьма существенны и составляют: тепловой энергии 89 Мкал, электроэнергии – 125 кВт·ч. Кроме этого на обогащение 1 т. угля расходуется 10,3 кВт·ч электроэнергии.

Сложность положения использования энергоресурсов усугубляется тем, что производство электрической энергии на тепловых электростанциях осуществляется с низким КПД. Примерно 2/3 энергии, получаемой при сжигании топлива рассеивается в окружающей среде.

Рис. 1. Изменение численности населения Земли, потребления энергоресурсов и

удельного энергопотребления: 1 – народонаселение, млрд. человек ·10-1; 2 – удельное энергопотребление, т. у. т 10-1 / чел; 3 – потребление ТЭР млрд. т. у. т.)

LCOI-Reviews, No. 11, 2012

24

Удельный расход топлива и КПД генерации связаны простой зависимостью:

0,123 , . . /B кг у т кВт чη

= ⋅

Таким образом, при калорийности энергетического угля 4500 ккал/кг (18,8 МДж/кг) удельный расход реального топлива составляет 0,580 кг/кВт ּ◌ч. Расходы топлива и выбросы в окружающую среду весьма большие. Уместно отметить, что ни один из отечественных энергоблоков не оборудован устройствами для очистки газов от оксидов серы и азота. При использовании для генерация растительного сырья, например, прессованной соломы удельные расходы составляют 0,7 кг/кВт ּ◌ч.

Сложность задач, стоящих перед экономикой Украины состоит в том, что все наши отрасли производства ресурсо- и энергоемки. Для создания одного доллара ВВП в Украине используется около 1 т сырья, а в США – 3 килограмма.

Сжигание огромного количества ископаемых топлив приводит к выбросу в атмосферу такого количества углекислого газа, которое уже не ассимилируется в процессе фотосинтеза. Это приводит к губительному изменению климата планеты. Атмосфера планеты перегревается, что уже прослеживается на всех континентах. Увеличивается количество ураганов торнадо. Каждый год становится теплее предыдущего. Возникает необходимость поиска путей сокращения выбросов основного компонента, обуславливающего парниковый эффект – углекислого газа.

Следует отметить, что кроме углекислого газа парниковый эффект обусловлен наличием в атмосфере целого ряда других газов. Влияние отдельных газов на создание указанного эффекта оценить достаточно сложно, поскольку их действие не аддитивно. Так, доля действия паров воды составляет от 36 до 70 %, углекислого газа от 9 до 26 %, метана от 4 до 9% и озона от 3 до 7 %. При этом верхняя граница соответствует действию только данного газа нижняя – когда присутствует смесь газов [1,2].

Из приведенных данных следует интересный вывод. Увеличение выработки электроэнергии на атомных станциях, с одной стороны, исключает эмиссию углекислого газа, а с другой стороны, увеличивает эмиссию паров воды. Это обусловлено меньшим термическим КПД атомных энергоблоков. Однако превышение эмиссии паров воды и обусловленное этим увеличение парникового эффекта все же меньше влияния эмиссии углекислого газа для традиционных тепловых электростанций. Это обусловлено тем, что время «жизни» двуокиси углерода в атмосфере составляет 130 лет а паров воды несколько дней или недель.

Влияние различных газов на парниковый эффект существенно отличается. Всемирный институт ресурсов приводит данные по коэффициентам влияния на парниковый эффект. Они учитывают степень вредного влияния газов, как соотношение эквивалентной массы СО2 к массе данного газа. При этом общее влияние оценивается по сумме произведений массы выброса на соответствующий переводной коэффициент. Так, например эмиссия одного килограмма гексафторида серы эквивалентна эмиссии 23,9 тонн двуокиси углерода (см. табл. 1).

В странах СНГ основным источником выбросов двуокиси углерода являются тепловые электростанции. Предполагается, что к 2020 году эмиссия двуокиси углерода на ТЭС Украины составит примерно 79 млн. тонн. В странах Европейского союза эмиссия парниковых газов в настоящее время составляет около двух миллиардов тонн. Доля Украины от этого показателя в настоящее время составляет 22,4 процента [4].

Табл. 1. Приведенные коэффициенты эмиссии парниковых газов

Тип парникового газа Двуокись углерода Метан Закись азота Фтор и хлор

углеводород Гексафторид

серы Коэффициент влияния на парниковый эффект 1,0 21 310 1300 23900

LCOI-Review, No. 11, 2012

25

Целесообразно оценить влияние различных видов топлива на эмиссию двуокиси

углерода. В табл. 2 приведены усредненные данные по величине эмиссии СО2 при сжигании различных видов топлива.

В современных условиях существует три направления снижения выбросов углекислого газа при использовании угля в качестве топлива. Первое направление — предварительная газификация угля с удалением СО2 из продуктов газификации. Синтетический газ, получаемый в процессе газификации, состоит в основном из окиси углерода, СО и водорода. В процессе очистки синтетического газа в скрубберах из него удаляется СО2, который затем за счет сжатия переводится в жидкое состояние и направляется на захоронение. Процесс основан на внутрицикловой газификации.

Второе направление – сжигание твердого топлива в среде почти чистого кислорода. Дымовые газы в этом случае состоят в основном из СО2 и паров воды и практически не содержат соединений азота. При этом дымовые газы частично направляются на рециркуляцию. После охлаждения газов и конденсации паров воды в дымовых газах остается практически только СО2. Эта технология пока не используется на крупномасштабных установках в энергетике, однако уже применяется в других отраслях промышленности. Преимуществом этой технологии является значительное снижение общей массы выбросов, получение высококонцентрированного потока СО2. Недостатком является то, что получение чистого кислорода требует больших затрат энергии.

По третьему направлению СО2 удаляют из дымовых газов с использованием растворов химических сорбентов. После нагрева сорбента происходит удаление СО2 и восстановление поглотительной способности сорбента. Достоинством этого процесса является то, что сорбционная очистка дымовых газов является полностью отработанной технологией. Недостатком является то, что оборудование занимает много места, в связи с чем его сложно интегрировать в существующие системы генерации энергии. Кроме этого применение этой технологии связано с высокими эксплуатационными расходами до 1000 евро (1300 дол) на расход дымовых газов 1 млн м3/час (примерно на один энергетический блок 300 МВт). При этом удельные затраты на улавливание 1 т СО2 оцениваются примерно в 30 евро (41 дол). Предполагается, что к 2030 г. этот показатель снизится до 20 евро/т (27 дол/т).

Табл. 2. Удельная эмиссия СО2 при сжигании различных видов топлива

Вид топлива Единица измерения

Коэффициент эмиссии

Антрацит г/МДж 98-180

Бурый уголь г/МДж 90-95

г/МДж 50-55 Природный газ г/м3 1,92 Авиационный бензин кг/л 2,17

Дизельное топливо (№ 1, 2) кг/л 2,65 Бензин кг/л 2,32 Топливо для реактивных двигателей кг/л 2,49 Мазут (№ 5, 6) кг/л 3,08 Пропан кг/л 1,51

В соответствии с приближенными опенками экспертов глобальные «хранилища» для

закачки СО2 составляют от 100000 до 200000 млрд тонн. По данным экспертов ФРГ геологические формации, включая выработанные месторождения природного газа и нефти, могут обеспечить захоронение СО2, произведенного за 40-130 лет эксплуатации тепловых электростанций [1]. В Украине такие геологические формации, которые могут быть использованы для захоронения СО2, расположены в Западной Украине, Харьковской и Полтавской областях.

LCOI-Reviews, No. 11, 2012

26

Следует отметить, что в настоящее время многие из этих «хранилищ» используются

как буферные емкости накопления природного газа. Таким образом, существует конкурентное использование этих емкостей. Можно отметить также положительный эффект от закачки, состоящий в том, что это увеличивает дебит существующих нефтеносных скважин.

Риски, которые связаны с захоронением СО2 в геологических формациях, включают возможные утечки и прямое неблагоприятное влияние на окружающую среду, состоящие в воздействии на климат, нанесении ущерба персоналу и оборудованию. Как было отмечено в [4], закачка СО2 создает опасность образования водноуглекислотных смесей с возникновением угольной кислоты. Последняя может растворить вскрышные породные образования, привести к нарушению их сплошности и вызвать как неконтролируемые утечки СО2, так и нарушение земной поверхности.

В любом случае применение систем улавливания СО2 на тепловых электростанциях связано со снижением эффективности генерации энергии и с необходимостью дополнительных капитальных вложений. Применение на ТЭС более высоких параметров пара (давление, температура), комбинированных циклов генерации энергии позволяет частично или полностью компенсировать потери экономичности при использовании систем очистки газов. Переоснащение существующей ТЭС мощностью 800 МВт системой очистки газов требует дополнительных капитальных вложений в 300-400 миллионов евро (404-539 млн долларов), т.е. увеличения капитальных вложений почти в 1,5 раза .

Дополнительные затраты включают: очистку дымовых газов от диоксида серы, захолаживание дымовых газов, абсорбцию СО2, теплообменное оборудование, десорбцию СО2 и ее сжатие для ожижения перед транспортом.

По сравнению с другими веществами, которые транспортируются по трубопроводам, например, нефтью, природным газом и водой, углекислота ведет себя необычно вследствие того, что тройная точка в системе равновесия фаз расположена в области близкой к температуре окружающей среды. Таким образом, при небольших изменениях давления и температуры происходят существенные изменения физических свойств (переход в другую фазу, изменение плотности, сжимаемости). На рис. 2 приведена диаграмма равновесий фаз угольной кислоты при разных температурах, которая подтверждает указанные показатели.

При транспортировке углекислоты на дальние расстояния (несколько сот километров) вследствие изменений внешних условий возникает возможность образования многофазных потоков. Это затрудняет как транспорт, так и измерение расходов потоков, так как расходомеры могут измерять только однофазный поток.

Наиболее предпочтительным для снижения эмиссии двуокиси углерода является широкое использование биомассы для генерации электрической энергии, теплоты и приготовления биогаза, его использования в двигателях внутреннего сгорания и бытовых условиях [5]. В настоящее время в Англии и скандинавских странах биомасса уже широко используется на котельных установках тепловых электростанций. Начаты работы по применению древесных отходов на котельных установках и в Российской Федерации. В Англии биомасса (солома, отходы древесины и пр.) применяются в котельных установках при совместном сжигании с пылевидным углем.

Потенциал производства биомассы в Украине по различным культурам приведен в табл. 3. При грамотном ведении лесного хозяйства древесина может обеспечить энергоснабжение некоторых регионов Украины.

Одним из доступных ресурсов является солома, которая отличается малой влагоемкостью и может быть вовлечена в производство энергии после её дробления и таблетизации. Стоимость этого продукта при разной схеме уборки урожая составляет от 55 до 70 грн/т.

Перспективным энергоносителем во многих районах является тополь и верболоз. Выращивание тополя попутно решает экологическую проблему. Он очищает воздух от пыли

LCOI-Review, No. 11, 2012

27

и ряда токсинов. Сообщается, что за год одно растение может вырасти на 15-20 мм в диаметре и 2,5-3,5 метра высотой. Механизированная «уборка» тополей может быть осуществлена с использованием установок размещенных на тракторах с отбором мощности.

Рис. 2. Фазовая диаграмма равновесий углекислоты в зависимости от

температуры и давления Табл. 3. Потенциал производства биомассы в Украине

Количество биомассы, доступное для получе-ния энергии

Вид биомассы / излишков биомассы

Валовой сбор, млн. т

Коэффи-циент отходов

Коэффи-циент доступ-ности

Общее коли-чество отходов, млн. т

Qнр,

МДж/кг

% млн. т

Энергетический потенциал био-массы, доступ-ной для полу-чения энергии,

млн. т НЭ Злаковые культуры / солома

28,53 1,0 0,85 24,25 15,7 20 4,85 1,82

Кукуруза на зерно / стебли 5,34 1,2 0,7 4,49 13,7 50 2,24 0,74

Сахарная свекла / ботва,

жмых 17,66 0,4 0,4 2,83 13,7 50 1,41 0,46

Подсолнечник / стебли 2,31 3,7 0,7 5,97 13,7 50 2,99 0,97

Древесина / отходы

древесины 5,4 0,84 0,9 4,1 9,0 71 2,91 0,62

Навоз (сухое вещество) 7,39 - 0,62 4,58 15,0 100 4,58 1,64

Всего 44,46 18,98 6,25 Одной из наиболее перспективных культур является мискантус – слоновая трава.

Сравнение энергетических показателей этой культуры с другими, приведенные в табл. 4, показывает, что с ней может конкурировать только ива. Однако большая сложность выращивания и «уборки» энергетического урожая ивы указывают на то, что другие культуры практически неконкурентоспособны по сравнению со слоновой травой. Слоновая трава является многолетним растениям и требует возделывания почвы один раз в 4 года. При её выращивании решается проблема с эмиссией углекислого газа и улучшается биоразнообразие в зоне выращивания этой культуры. Удельные затраты и выход энергии при выращивании энергетических культур показаны в табл. 4.

LCOI-Reviews, No. 11, 2012

28

Важным направлением снижения эмиссии парниковых газов является уменьшение

потребления энергоресурсов. Эффективными методами снижения потребления энергоресурсов являются применение когенерации, аккумулирования тепла и использование тепловых насосов.

Табл. 4. Сравнение энергетических показателей слоновой травы с др. культурами Культура Потребление энергии на

производство – ПЭ, МДж/га Выход энергии – ВЭ, МДж/га Соотношение ВЭ/ПЭ

Слоновая трава 9,224 300,0 32,5 Ива 6,003 180,0 30,0 Пшеница 21,46 189,34 8,8 Рапс 19,39 72,0 3,8

Когенерация – это совместное комбинированное производство электроэнергии и

тепла. Смысл когенерации в том, что при прямой выработке электрической энергией, создается возможность утилизировать попутное тепло. При применении когенерационного способа производства тепла и электроэнергии экономится около 40 % топлива. Выражая денежными средствами, получается, что потребитель за такое же количество энергии заплатит лишь 60 % его стоимости.

Тепло и электроэнергия вырабатываются в непосредственной близости их потребления, при этом отпадают как затраты на распределение энергии, так и потери при магистральной передаче энергии. Тепло, возникающее в когенерационной установке, используется для отопления объектов, при подготовке горячей воды или для получения технологического тепла. Так как при применении когенерационного способа производства тепла и электроэнергии экономится 40 % топлива, то и на столько же снижается, с экологической точки зрения, загрязнение окружающей среды.

Энергоснабжение от когенераторной установки позволяет снизить ежегодные расходы на электро- и теплоснабжение по сравнению с энергоснабжением от энергосистем примерно на 100 $ за каждый кВт номинальной электрической мощности когенераторной электростанции, в том случае, когда когенераторная установка работает в базовом режиме генерации энергии (при 100 % нагрузке круглогодично).

Аккумулирование тепла особенно выгодно при установке 3-х уровневых счетчиков электроэнергии при которых можно потреблять внепиковую энергию по цене почти в 3 раза меньшую базового тарифа. Аккумулирование тепла позволяет: повысить теплоустойчивость зданий, повысить КПД автономных источников электроэнергии и, соответственно, эмиссию СО2, снизить стоимость электрообогрева как производственных площадей, так и отдельных квартир, в которых устанавливаются теплонакопители. Тепловой аккумулятор в сравнении с другими аккумуляторами обладает следующими преимуществами: простота устройства, относительно низкая себестоимость, эффективные массогабаритные характеристики, долговечность.

При наличии теплоаккумулятора вся тепловая энергия установки генерации электроэнергии используется для его зарядки. Избыток электроэнергии также направляется в теплоаккумулятор. Таким образом, КПД автономного источника становится соизмеримым с КПД котла (порядка 85 %), а стоимость электроэнергии, получаемой на такой установке, будет в несколько раз ниже сетевой.

Процессы аккумулирования тепла происходят путем изменения физических параметров теплоаккумулирующих веществ и за счет использования энергии связи атомов и молекул веществ (за счет фазового перехода).

Наиболее приемлемыми аккумуляторами тепла с фазовым переходом являются сульфат алюминия, сульфат натрия и нитрат лития. Сравнительная характеристика отвода тепла от воды и сред с теплоаккумулирующими веществами сульфатами алюминия и натрия приведена на рис. 3.

LCOI-Review, No. 11, 2012

29

Рис. 3. Сравнительная характеристика аккумулирования тепла сульфатом

алюминия (Al2(SO4)3·18H2O) и сульфатом натрия (Na2SO4·10H2O) Выводы 1. Анализ путей снижения эмиссии углекислого газа показывает, что внедрение

технологий очистки дымовых газов требует увеличения капитальных вложений на сооружение нового энергетического оборудования больше в 1,5 раза по сравнению с традиционными технологиями генерации энергии, применяемыми в стране.

2. В условиях дефицита инвестиций снижение эмиссии парниковых газов на отечественных ТЭС целесообразно осуществлять по пути когенерации и совместного сжигания биологического топлива и угля.

3. Выработку электрической энергии на установках с использованием биотоплива целесообразно осуществлять на установках небольшой мощности.

4. При захоронении углекислого газа в подземных горизонтах возможно использование отработанных нефтяных скважин. Это позволяет также увеличить дебит работающих скважин.

5. При транспортировке углекислого газа к местам его захоронения необходимо учитывать его особые свойства.

Список использованный литературы 1. Sean Black. Carbon capture the moment: A chilled ammonia pilot project // Power

Engineering – 2008. - Vol. 16, Issue 5, June. 2. H. van Veen, Y.C. van Delft, E.M. van Dorst, P.P.A.C. Pex. Water gas shift membrane

reactor for CO2 emission reduction and hydrogen production. Presented at the 6th Netherlands Process Technology Symposium (NPS6). Veldhoven, The Netherlands, 24-25 October 2006. February 2007.

3. Tobias Jokenhövel, Rudiger Schneider, Helmut Rode. Salt of the earth: carbon capture via amino acid flue gas scrubbing // Power Engineering – 2010. - Vol. 18, Issue 5, May.

4. Высоцкий С.П. Проблемы эмиссии углекислого газа. // Экотехнологии и ресурсосбережение: Научно-технический журнал.- К., 2007.- № 2.- С. 47-50.

5. Высоцкий С.П., Чернюк А.А. Применение биомассы как альтернативного источника энергоснабжения // Вісті Автомобільно-дорожнього інституту: Науково-виробничий збірник / АДІ ДонНТУ.- Горлівка, 2007.- № 2 (5).- С. 191-197.

LCOI-Reviews, No. 11, 2012

30

АНАЛІЗ ТА ПЕРСПЕКТИВИ ВИКОРИСТАННЯ НОВИХ ТЕХНОЛОГІЙ В ТВЕРДОПАЛИВНІЙ ЕНЕРГЕТИЦІ ТА ШЛЯХИ ВИКОРИСТАННЯ

НИЗЬКОСОРТНИХ ЕНЕРГЕТИЧНИХ ПАЛИВ.

Зробок Я.Я. Національний університет “Львівська Політехніка”, Львів, Україна

У даній статті розглянуто проблеми використання застарілих технологій у тепловій енергетиці.

Потреби негайного вирішення економічних та екологічних питань, використавши новітні технології в теплоенергетичній галузі та значне зменшення емісії СО2 за рахунок конверсії продуктів згоряння.

Постановка проблеми Сьогодні в Україні річний видобуток вугілля складає близько 80 млн. тонн. В

порівнянні з недалеким минулим видобуток зменшився втричі. В основному це пов‘язано з великим заляганням вугільних пластів, складними геологічними умовами, малою потужністю вугільних пластів, застарілістю шахтного фонду (для прикладу, за останні 30 років в Україні не побудовано жодної нової шахти), низький технічний і технологічний рівень видобутку, недостатній приріст розвіданих запасів вугілля та недосконалі організаційно-ринкові перетворення.

Тому на сьогодні головна проблема при спалюванні низькосортного енергетичного палива на теплових електричних станціях – це впровадження нових технологій ефективного виробництва електричної та теплової енергії з мінімальними економічними витратами та високими екологічними показниками.

Аналіз останніх досліджень і публікацій Підвищенню коефіцієнта корисної дії (ККД) на вугільних енергоблоках та зменшенню

навантаження отруйними речовинами на навколишнє середовище приділялось багато уваги. Останніми роками за кордоном починають широко впроваджувати вугільні енергоблоки потужністю 600 – 1000 МВт з підвищеними параметрами пари. Розробка нових видів сталі дозволяє будувати енергоблоки на надкритичні параметри пари 30 МПа і 600 °С з ККД 47–48%. А в рамках програми THERME планують розробити до 2015 року вугільний енергоблок потужністю 1000 МВт з температурою пари 700 °С, тиском пари 37,5 МПа і ККД близько 55%.

Мета статті Збільшення ККД на вугільних енергоблоках до 80%, економія твердого палива до 40%

та мінімізація викидів шкідливих речовин в атмосферу шляхом вловлювання та конверсії продуктів згоряння.

Виклад основного матеріалу У нашій країні згідно «Енергетичної стратегії України на період до 2030 року»

заплановано подальший розвиток теплової енергетики. Відповідно потужність теплових електричних станцій має зрости до 42,2 млн. кВт при нині існуючій 33,2 млн. кВт. Приблизно це складає 39,8% від загальної потужності генерації.

Також планується вжити заходів щодо підвищення надійності, економічної ефективності та екологічної чистоти роботи існуючого технологічного обладнання теплових електростанцій, а також виведення з експлуатації застарілого обладнання, будівництва і введення в експлуатацію нових енергоблоків, інтеграції усієї енергетики України в європейську енергетичну систему і вихід на європейські та світові енергетичні ринки.

LCOI-Review, No. 11, 2012

31

Україна, як і багато інших країн, лише частково забезпечена традиційними видами

первинної енергетики. Енергетична залежність від імпорту палива складає приблизно 60%. У паливному балансі нашої держави найбільшу частку має вугілля, близько 97,4%. Його прогнозовані запаси становлять 117, 54 млрд. тонн, у тому числі 56,7 млрд. тонн – розвідані запаси, з яких 39,3 млрд. тонн – енергетичне вугілля. Балансові запаси вугілля становлять 8,7 млрд. тонн, з яких 6,5 млрд. тонн - промислові, у тому числі майже 3,5 млрд. тонн – енергетичне вугілля.

Враховуючи вище сказане, в Україні у найближчі десятиліття основною сировиною для отримання енергоресурсів буде вугілля. Потреби в енергетичних ресурсах країни з кожним роком зростають, а ефективність використання паливних ресурсів через істотне погіршення техніко-економічних показників теплових електростанцій (сьогодні величина ККД на ТЕС біля 40%) низька, що пов‘язане із значними втратами горючої маси вугілля, 85-відсоткове зношення основного і допоміжного технологічного обладнання. І це ми не врахували екологічні аспекти - мала ефективність пилозахисного обладнання, повна відсутність виробництва і використання обладнання для сірко- і азотоочистки димових газів після котельних агрегатів, недостатнє використання золо-шлакових відходів ТЕС, отриманих при спалюванні вугілля.

В результаті ми маємо тонни отруйних речовин у навколишньому середовищі. Отже, на сьогодні постає ряд питань, а саме: враховуючи обмежені запаси низькосортного енергетичного палива, забезпечити країни енергоресурсами, потреби в яких ростуть з кожним роком та захистити навколишнє середовище від викидів шкідливих речовин.

Компанія «Power Technology» Компанія «Power Technology», аналізуючи проблеми сьогодення в енергетичній

галузі, розробила додаткове обладнання для вугільних енергоблоків. За допомогою цих технологій, після встановлення яких коефіцієнт корисної дії на енергоблоках повинен зрости удвічі і становити близько 80%; розхід низькосортного твердого палива зменшиться на 40%, що дозволить: по-перше – знизити викиди шкідливих речовин майже вдвічі, по-друге – економно розпоряджатися запасами твердого палива. Крім цього є можливість модифікації твердого палива в горючі емульсії з розділенням мінеральних речовин. Адже запаси їх в Україні не є безмежними і за найоптимістичнішими даними, враховуючи потреби в збільшенні видобутку енергоресурсів, його вистачить років на 100.

Сьогодні головним джерелом енергії є нафта і газ. Але їх запаси, разом узяті, у багато разів менші, ніж запаси кам‘яного і бурого вугілля. А отже нафта та газ через декілька десятиліть стануть дефіцитом і ціни на ці ресурси значно зростуть. Тому використовувати їх як енергоресурси буде, м‘яко кажучи, економічно невигідно. Виходячи з цього можна впевнено говорити, що основним джерелом енергії стане тверде паливо.

Технології, розроблені «Power Technology», були встановлені на котлі у курортному містечку Бренно в Польщі. До встановлення додаткового обладнання щорічно у великих кількостях в повітря викидались шкідливі речовини, забруднюючи навколишнє середовище, що відігравало негативну роль для місцевого туризму. Крім цього, коефіцієнт корисної дії котла був низьким. Після встановлення дана технологія дозволила, за певних умов, зменшити викиди СО2 до нуля та розхід палива удвічі. А отже, коефіцієнт корисної дії виріс до 85 %.

Новизна методу полягає в тому, що дозволяє удвічі збільшити температуру в камері згоряння (це можна побачити на фотографіях котла до встановлення додаткового обладнання та після (рис. 1) і разом з тим звести викиди окису азоту до нуля, а викиди CO2 зменшити у два рази. Або, використавши додаткове обладнання, звести емісію CO2 до нуля, при чому єдиним побічним продуктом буде мінеральне добриво (рис. 2) та теплова енергія.

LCOI-Reviews, No. 11, 2012

32

Рис. 1. Робота котла без додаткового обладнання

Рис. 2. Робота котла з каталізатором

В роботі котла було досягнуто значної економії палива – 40 %, а також великого зниження викидів шкідливих речовин у довкілля. При роботі звичайного котла без додаткового обладнання спостерігався чорний дим, кіптява, що свідчило про неповне згоряння палива, що було надзвичайно негативним фактором для курортного містечка. Та після застосування каталізатора на котлі було досягнуто відмінного результату: сірий дим і зниження споживання палива.

При застосуванні цих технологій було очищено димові гази від оксиду сірки, азоту, оксиду цинку та інших шкідливих речовин, які попадали та забруднювали навколишнє середовище. А також отримано цінну хімічну сировину. Випробовування на газовому котлі 50квт у смт. Щирець теж показало добрі результати, що видно на рис. 1 та 2. Встановлення системи на автомобіль Audi Q7 W12 TDI показало зменшення емісії СО2, підвищення потужності та зниження витрат пального.

Висновки Результати випробувань показали, що технологія, яку пропонується, є достатньо

випробувана, економічно обґрунтована та надзвичайно перспективна. Адже вона, крім значної економії ресурсів, в значній мірі зменшує навантаження на природне середовище та дозволяє значно знизити собівартість енергії.

Список використуваної літератури 1. Мисак Й.С., Гнатишин Я.М., Івасик Я.Ф. Паливні пристрої для спалювання

низькосортних палив. – Львів: НУ „Львівська політехніка”, 2002, 135 с. 2. Янко П.І., Мисак Й.С. Режими експлуатації енергетичних котлів. Львів, НВФ

„Українські технології”, 2004. – 271 с. – Монографія. 3. Мисак Й.С., Івасик Я.Ф., Гут П.О., Лашковська Н.М. Експлуатація об’єктів ТЕС.

НУ „Львівська політехніка”, 2007. – 300 с. 4. Експлуатація та налагодження енергетичного устаткування ТЕС ВАТ

„Західенерго”. За ред. Омеляновського П.Й., Мисак Й.С. – Львів: АВФ, Українські технології, 2005. – 410 с.

LCOI-Review, No. 11, 2012

33

АТЛАС ПРІОРИТЕТНИХ НИЗЬКОВУГЛЕВОДНИХ ТЕХНОЛОГІЙ

ГЕНЕРАЦІЇ ЕНЕРГІЇ НА ОСНОВІ ВІДНОВЛЮВАНИХ ТА НЕТРАДИЦІЙНИХ ДЖЕРЕЛ ЕНЕРГІЇ ДЛЯ РЕГІОНІВ УКРАЇНИ

Іншеков Є.М., Ковальчук А.М., Кокоріна М.Т.

Інститут енергозбереження та енергоменеджменту, НТУУ «КПІ», Київ, Україна

Вибір оптимальних технологій використання розосереджених джерел енергії є важливим кроком на

шляху до ефективного енергозабезпечення. В роботі проводиться оцінювання технологій виробництва електричної та/або теплової енергії з нетрадиційних та відновлюваних джерел енергії за багатьма критеріями. Розрахунки відносних пріоритетів технологій проводяться на основі паспортних даних, техніко-економічних показників, потенціалу джерела енергії та експертних оцінок щодо важливості критеріїв оцінювання технологій з використанням методу аналізу ієрархій (МАІ).

Атлас розроблено для керівного складу державних та регіональних органів влади, представників бізнесових структур та інших зацікавлених осіб в питаннях енергозабезпечення та впровадження інноваційних проектів з комплексним застосуванням відновлюваної та нетрадиційної енергетики.

У атласі наведено потенціал та рівень ефективності застосування сучасних технологій генерування електричної та/або теплової енергії з відновлюваних та нетрадиційних джерел енергії на території України, енергосистем та областей; враховано найбільш поширені з енерготехнологій, а саме: енергія вітру, сонця, малих річок, біомаси, геотермальна енергія, потенціал надлишкового тиску доменного газу, низькопотенційної теплової енергії стічних вод, теплоти ґрунту та ґрунтових вод.

Багатокритеріальний аналіз технологій проводиться з використанням вагових коефіцієнтів Методу аналізу ієрархій та враховує наступні критерії: потужність установки, потенціал джерела енергії на обраній території, рівень енергоефективності установки, рівень викидів оксиду вуглецю, капітальні та експлуатаційні витрати, вартість виробленої енергії за «Зеленим» тарифом.

У Атласі наведено потенціал відновлюваних джерел енергії для 24 областей та АР Крим, 8 енергосистем і загальної території України, результати розрахунків щодо капітальних, експлуатаційних витрат та терміну окупності рекомендованих технологій для кожної вищезазначеної територіальної одиниці. Оцінка впровадження технологій враховує також скорочення викидів СО2. Відсоток заміщення органічного палива за рахунок використання рекомендованих технологій розосередженої генерації вказує на потенціал скорочення використання невідновлюваних джерел енергії, та можливість транспортування енергії у сусідні області при надмірному виробництві.

За базу обрані техніко-економічні показники сучасних енерготехнологій та «Атлас енергетичного потенціалу відновлюваних та нетрадиційних джерел енергії України» 2001 та 2010 років, розроблений Інститутом ВДЕ НАН України.[1]

Застосування Методу Аналізу Ієрархій (МАІ) для знаходження оптимальних технологій енергозабезпечення Важливим етапом вибору оптимальних технологій генерації енергії з відновлюваних

та нетрадиційних джерел енергії є вірна оцінка варіантів енергопостачання за багатьма критеріями, що враховують економічні, екологічні, технічні, територіальні та інші показники. Метод аналізу ієрархій (МАІ) дозволяє за допомогою простих і добре обґрунтованих правил знайти рішення багатокритеріальних задач, що включають якісні та кількісні фактори, причому, кількісні фактори можуть мати різну розмірність.

LCOI-Reviews, No. 11, 2012

34

МАІ розроблений для моделювання взаємозв’язків між окремими складовими

частинами задачі прийняття рішення за допомогою ієрархічної структури з наступним визначенням пріоритетів альтернативних варіантів рішень відносно елементів цієї структури.

Весь процес знаходження рішення перевіряється та за необхідністю коригується на будь-якому етапі, що дозволяє оцінити якість отриманого рішення.

Метою даної роботи є визначення пріоритетних низьковуглеводних технологій енергозабезпечення, які використовують відновлювані та нетрадиційні джерела енергії для генерації електричної та/або теплової енергії, а також є ефективними для обраного регіону.

Ієрархія, що відповідає меті роботи набуває вигляд повної домінантної ієрархії, схему якої можна зобразити наступним чином (рис. 1):

Рис. 1. Схематичний вигляд домінантної ієрархії В ході аналізу бази даних існуючих ефективних технологій визначено наступні

критерії та альтернативи: - Критерії, за якими оцінюються технології: - К1 – потужність, яку виробляє установка, [кВт]; - К2 – потенціал відновлюваного джерела енергії для визначеної технології на обраній

території, [млн. т у.п.]; - К3 – рівень ефективності установки, [%]; - К4 – рівень викидів при роботі установки, [кг/МВт*год ]; - К5 – капітальні та початкові витрати (вартість 1 кВт встановленої потужності), при

встановленні установки, [€/кВт]; - К6 – експлуатаційні витрати, при роботі установки, [€/МВт*год]; - K7 – вартість електричної та/або теплової енергії за «Зеленим» тарифом [€ /МВт]. Розглянемо 8 технологій, що працюють на ВДЕ для виробництва теплової та/або

електричної енергії. - А1 – фото-електричні установки; - А2 – вітрові турбіни; - А3 – установки на біомасі; - А4 – мікро/малі гідроелектричні установки; - А5 – геотермальні системи; - А6 – промислові турбіни (доменний газ); - А7 – мікротурбіни (енергія стічних вод); - А8 – теплові насоси (низькопотенційна теплота ґрунту)

LCOI-Review, No. 11, 2012

35

У методі аналізу ієрархій елементи порівнюються попарно по відношенню до їх

впливу на загальну для них характеристику. В результаті парних порівнянь записуємо характеристики порівнянь у вигляді матриці (1):

(1) Коли задача представлена у вигляді ієрархічної структури, матриця складається для

попарного порівняння критеріїв на другому рівні по відношенню до загальної мети, розташованої на першому рівні. Такі ж матриці повинні бути побудовані для парних порівнянь кожної альтернативи на третьому рівні по відношенню до критеріїв другого рівня і т.д., якщо кількість рівнів більше трьох.

Наступним кроком після побудови ієрархії та визначення величин парних суб'єктивних суджень є об’єднання ієрархічної декомпозиції та відносних суджень з метою отримання оптимального рішення багатокритеріальної задачі прийняття рішень.

З груп парних порівнянь формується набір локальних критеріїв, які виражають відносний вплив елементів на елемент, розташований на рівні вище.

Останній етап методу аналізу ієрархій – це агрегування коефіцієнтів пріоритетності критичних технологій за усіма критеріями і розрахунок коефіцієнтів глобальних пріоритетів критичних технологій.

Пріоритет j-го елемента третього рівня визначається як:

(2)

де – вектор пріоритетів k-й матриці, розташованої на третьому рівні; – -й елемент вектор пріоритетів k-й матриці суджень, розташованої на третьому рівні; – -й елемент вектор пріоритетів матриці суджень, розташованої на другому рівні; – пріоритет -го елемента третього рівня [2-9].

Визначення пріоритетних технологій енергозабезпечення для АР Крим Розглянемо Атлас на прикладі Автономної Республіки Крим. Завдяки вдалому географічному положенню АР Крим має сприятливі умови для

впровадження технологій розосередженої генерації з комплексним застосуванням відновлюваних джерел енергії. Первинний потенціал відновлюваних та нетрадиційних джерел енергії, що враховуються в даному атласі наведено в табл. 1, рис. 2. Як видно, найвищий потенціал мають енергії сонця, вітру, біомаси та геотермальна енергія. Річне споживання енергоресурсів на забезпечення потреб в електричній та тепловій енергії складає 4,23 т у.п. З діаграми 1, рис. 2 видно, що потенціал відновлюваних джерел не тільки перекриває енергетичні потреби півострову, а й може бути використаний для забезпечення енергетичних потреб сусідніх з Кримом регіонів держави.

⎟⎟⎟⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜⎜⎜⎜

⎝

⎛

nnnnn

n

n

n

aaaa

aaaaaaaaaaaa

L

LLLLL

L

L

L

321

3333231

2232221

1131211

,

,,

,

23233322322131

2332333322323213131

2232333222322213122

2132333122321213111

nnnnnnn

nn

nn

nn

qqqqqqqqq

qqqqqqqqqqqqqqqqqq

qqqqqqqqq

⋅++⋅+⋅+⋅=

⋅++⋅+⋅+⋅=⋅++⋅+⋅+⋅=⋅++⋅+⋅+⋅=

K

K

K

K

K

LCOI-Reviews, No. 11, 2012

36

Потенціал експорту енергоносіїв становить 82,98% від загального споживання

енергоресурсів Криму. Найбільший потенціал припадає на енергію вітру (111,11%). Розрахунок пріоритетів технологій генерування проведено з використання експертних

оцінок та Методу аналізу ієрархій (діаграма 2, рис. 2). Технології, значення пріоритету яких вище граничного рівня (0,125), рекомендовано для першочергового впровадження. Значення 0,125 визначається з умови, що сума пріоритетів усіх технологій складає одиницю, а попередня пріоритетність впровадження однакова. Тож, для АР Крим для першочергового впровадження можна рекомендувати наступні за пріоритетом технології генерування з застосуванням відновлюваних та нетрадиційних джерел з врахуванням «Зеленого» тарифу:

1. Вітрові турбіни 2. Фотоелектричні установки 3. Установки на біомасі 4. Геотермальні системи

Загальні інвестиційні та експлуатаційні витрати, а також термін окупності при впровадженні цих технологій, за умови використання повного технічного потенціалу джерела відновлюваної енергії наведено на діаграмі 3, рис. 2.

Скорочення викидів СО2 є однією з вимог на шляху до сталої енергетики. Використання технологій з низькими або нульовими викидами парникових газів дозволить в майбутньому не тільки зберегти оточуюче середовище, а також продавати квоти на викиди. При впроваджені рекомендованих технологій генерації Крим може скоротити викиди на 47 737,93 тис. т СО2. Вітрові турбіни мають найбільший потенціал скорочення – 30 288,59 тис. т СО2 (діаграма 4, рис. 2) завдяки заміщенню 111,11% споживання органічного палива та нульовим викидам парникових газів при виробництві електроенергії. При впровадженні рекомендованих технологій маємо повне заміщення споживання органічного палива ВДЕ та потенціал транспортування у сусідні регіони - 69,74% (діаграма 5, рис. 2).

Список використаної літератури

1. Атлас енергетичного потенціалу відновлюваних та нетрадиційних джерел енергії України/ Кудря С.О., Яценко Л.В., Душина Г.П. та інш. – НАН України, Державний Комітет України з енергозбереження, - К., 2001, 41с. 2. Панкратова Н.Д., Недашковская Н.И. Методология обработки нечеткой экспертной информации в задачах предвидения. Часть 1 // Проблемы управления и информатики. – 2007. - №2 - С. 40 – 55. 3. Панкратова Н.Д., Недашковская Н.И. Методология обработки нечеткой экспертной информации в задачах предвидения. Часть 2 // Проблемы управления и информатики. – 2007. - №3 - С. 49 – 63. 4. Панкратова Н.Д., Недашковская Н.И. Экспертное оценивание многофакторных рисков в технологическом предвидении // Доповіді НАНУ. – 2007. - №11. – С.48 – 53. 5. Недашківська Н.І. Оцінювання реверсу рангів в методі аналізу ієрархій // Системні дослідження та інформаційні технології. – 2005. -№4. -С. 120– 130. 6. Saaty Thomas L. Theory of the Analytic Hierarchy Process, Part 2.1. // Системні дослідження та інформаційні технології. – 2003. - №1. – С.48 – 72. 7. Saaty T.L. Decision-making with the AHP: Why is the principal eigenvector necessary // European Journal of Operational Research. – 2003. – Vol.145, №1. – P.85 – 91. 8. Saaty Thomas L. Theory of the Analytic Hierarchy and Analytic Network Processes- Examples, Part 2.2. // Системні дослідження та інформаційні технології. – 2003, №2. – С. 7-34. 9. Saaty Thomas L. The Analytic Network Process, Examples, Part 2.3. // Системні дослідження та інформаційні технології. – 2003. - №4. – С.7 – 23.

LCOI-Review, No. 11, 2012

37

Рис.

2. А

тлас

пріоритетних технологій

виробництва

електричної

та/або теплової

енергії за

усередненим

и даними

для

АР Крим з

відновлю

ваних та

нетрадиційних

джерел

енергії з врахуванням

«Зеленого

» тарифу

LCOI-Reviews, No. 11, 2012

38

О ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВОЗДУШНОГО ТЕРРИКОНА

ДЛЯ УЛАВЛИВАНИЯ ПЫЛИ И УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА НА ПЕРЕКРЕСТКАХ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ

Казак О.В., Шеставин Н.С.

Донецкий национальный университет, Донецк, Украина

Работа посвящена предварительному анализу возможности использования воздушных терриконов для улавливания углекислого газа и других вредных примесей из воздуха на перекрестках автомобильных дорог крупных городов. Проведен анализ существующих проектов воздушных башен для получения экологически чистой энергии. Подтверждена необходимость и возможность использования подобных установок для очистки воздуха и улавливания парниковых газов.

Охрана окружающей природной среды и рациональное использование естественных

ресурсов – одна из актуальных глобальных проблем современности. Усиление техногенного воздействия на природную среду породило целый ряд экологических проблем, из них самые острые связаны с состоянием атмосферного воздуха, водных и земельных ресурсов [1].

По сравнению с другими компонентами геосферы атмосфера имеет ряд присущих только ей особенностей – высокую подвижность, изменчивость составляющих ее элементов, своеобразие молекулярных реакций, в которых могут участвовать и инертные газы. Состояние атмосферы определяет тепловой режим поверхности Земли, озоновый экран защищает планету от излишней ультрафиолетовой радиации. Соотношение тепла и влаги в атмосфере – основная причина существования географических зон на Земле, определяющих особенности режима рек, почвенно-растительного покрова и важные процессы формирования рельефа.

Многолетние наблюдения показывают, что в результате хозяйственной деятельности человека изменяется газовый состав и запыленность нижних слоев атмосферы. Исследование состава воздуха показывают, что сейчас в атмосфере Земли углекислого газа стало на 25% больше, чем 200 лет назад [1].

С повышением концентрации углекислого газа в воздухе связан парниковый эффект, который проявляется в нагреве нижних слоев атмосферы Земли. Это происходит потому, что атмосфера пропускает основную часть излучения Солнца. Часть лучей поглощается и нагревает земную поверхность, а от нее нагревается атмосфера. Другая часть лучей отражается от поверхности Планеты и это излучение поглощается молекулами углекислого газа, что способствует повышению средней температуры. Действие парникового эффекта аналогично действию стекла в оранжерее или парнике [2].

В результате сжигания топлива в атмосферу ежегодно поступает более 20 млрд. т. двуокиси углерода и более 700 млн. т. других паро- и газообразных соединений и твердых частиц. Серьезной проблемой становятся избыток серы в окружающей среде и загрязнение соединениями серы воздуха и поверхностных вод. В настоящее время техногенное поступление серы в 7 раз превышает естественное. При сжигании низких сортов угля и мазута в атмосферу выделяется 150 млн. т. сернистого газа в год. Как известно, во влажном воздухе SO2 образует серную кислоту, которая вместе с дождями выпадает на землю. Особенно опасны соли кадмия, ртути, свинца.

Доказательством потепления является и увеличение частоты засух, особенно в умеренных широтах северного полушария. В то же время любое резкое изменение климатических условий на обширных площадях будет равноценно настоящей экологической катастрофе. Подтопление окраин материков и изменение их гидрографии скажутся и на подземной «гидросфере». Ответной реакцией может стать изменение режима перемещения участков земной коры на материках и сказаться на активизации сейсмических процессов, а возможно и других проявлений.

LCOI-Review, No. 11, 2012

39

Кроме того, резкие быстрые изменения климата на огромных площадях могут

привести к тяжелым экономическим последствиям, так как потребуют переориентации многих отраслей мировой экономики, в том числе сельского хозяйства и производства энергии. Согласно классификации и методики учета Руководящих принципов Рамочной конвенции ООН об изменении климата в рейтинге источников загрязнения транспорт занимает третье место по количеству выбросов парниковых газов и уступает лишь энергетическому комплексу и промышленности [3].

В настоящее время концентрация углекислого газа в атмосфере составляет 0,032% (в городах – 0,034%). Медики утверждают, что для здоровья человека концентрация СО2 в воздухе безвредна до уровня 1%, т.е. человечество имеет еще достаточно времени для решения этой проблемы. Однако нужны еще очень подробные и детальные исследования влияния повышения концентрации углекислого газа на окружающую среду и методов регулирования этой концентрации.

В настоящее время обсуждаются различные меры, которые могли бы воспрепятствовать нарастающему «антропогенному перегреву» Земли. Существует предложение извлекать избыток СО2 и в дальнейшем утилизировать его либо преобразовывать. Одним из таких способов долгосрочного хранения парниковых газов является возможность сжижать и нагнетать в глубоководные слои океана и естественные пустоты Земли, используя его естественную циркуляцию.

При таком подходе очевидным является необходимость дополнительных энергетических затрат на улавливание парниковых газов, транспортировку и последующую утилизацию. Широко известны такие способы улавливания парниковых газов и других загрязнителей атмосферного воздуха [4]:

– установка больших пылесосов, на примере ряда городов Италии и Нью-Дели (Индия), где было установлено ряд таких сооружений разработки итальянской фирмы Model Citta, которые устанавливается на главных улицах города и обеспечивает очистку 10 тысяч кубометров воздуха в час от пыли и других вредных примесей;

– передвижная установка, вмонтированная в пассажирский автобус, который курсирует по наиболее проблемным улицам Рима (Италия) и очищает воздух от загрязнителей из выхлопных газов автомобилей и дорожной пыли;

– «искусственные деревья», которые должны заменить рекламные щиты на автострадах США и очищать воздух, улавливая вредные примеси, при этом их энергоснабжение планируется осуществлять за счет ветровых генераторов, расположенных на одной силовой конструкции этой установки;

– «анти-смог», который планируется установить в Париже (Франция) , состоящий из «Солнечной слезы» (Solar Drop), фасад которой обшит фотоэлектрическими панелями и покрыт титановыми белилами для очистки воздуха, и «Ветряной башни» (Wind Tower), на которой будут установлены ветряные турбины с вертикальной осью для выработки электричества и очистки воздуха.

Одним из перспективных методов очистки воздуха от выхлопных газов автомобилей и улавливания углекислого газа в крупных городах на перекрестках автомобильных дорог, где концентрация отработанных газов двигателей внутреннего сгорания максимальна, является установка «воздушных терриконов».

Подобный проект был предложен японской компанией ZENA Systems приведенный на рис. 1. Компания работает над созданием ветряной башни, которая будет превращать энергию ветра в электроэнергию. Шестигранное сооружение высотой 50 м и 27 м в диаметре действует как огромная башня, которая будет улавливать ветер со всех сторон, на любой высоте и при любой скорости.

Оказавшись внутри башни, ветер, проходя через аэродинамическую трубу, сжимается, ускоряется и устремляется в нижнюю часть здания, где установлены генераторы, которые конвертируют ветровую энергию в электроэнергию.

LCOI-Reviews, No. 11, 2012

40

Компания утверждает, что эффективность системы не ограничивается

коэффициентом Беца, согласно которому ветряная турбина не может выработать больше чем 59,3% от кинетической энергии ветра. Кроме электростанций, ветряная башня вмещает в себе завод по опреснению воды, туристические объекты, административные и учебные центры [5].

Американский архитектор Michael Jantzen разработал ряд проектов турбинных ветряных башен (рис. 2). Ветряная башня достигает 53 фута в высоту и 35 футов в ширину. Турбина башни способна выработать такое количество электроэнергии, которого хватит не только на освещение башни в темное время суток, но и на энергоснабжение населенного пункта, в котором башня находится [6].

Рис.1. Проект японской компанией ZENA Systems

Рис.2. Различные проекты американского архитектора Michael Jantzen

LCOI-Review, No. 11, 2012

41

Рассматривая ситуацию сложившуюся с загрязнением атмосферы выхлопными газами

на примере Донецка, который является одним из наиболее индустриально развитых регионов Украины и учитывая исторически сложившуюся планировку города, при образовании большого количества выхлопных газов на перекрестках главных улиц, которые размещены на возвышенностях, загрязненный воздух перетекает в низинные районы городских парков и зон отдыха. Решить эту проблему можно установив над главными перекрестками города системы принудительного улавливания выхлопных газов автомобилей в виде воздушных терриконов.

Такая установка будет работать на широко известном эффекте естественной тяги, перераспределяя потоки воздуха одновременно вырабатывать электроэнергию и очищать отходящие газы от вредных примесей. В качестве очистительных блоков могут быть использованы итальянские панели Model Citta или подобные им, размещенные в стороне от дороги.

Для оценки количества энергии, которую можно получить от использования такого рода установки необходимо более подробно рассмотреть физические процессы в воздушном терриконе. Наличие теплого воздуха нагретого выхлопными газами создает разность давлений. За счёт этой разницы давлений возникает поток воздуха, при этом нагретый воздух вытесняется (всплывает) и выходит наружу. Движущая сила тяги определяется перепадом давлений. На этом принципе работает вытяжная вентиляция с естественной конвекцией.

Поток воздуха создаётся за счёт разницы давлений (ΔP) и может быть рассчитан следующим образом [7]. Используя уравнения газодинамики можно получить значение разности давлений для случая воздуха и продуктов горения, как в трубе, так и сложных конструкций высотой h:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=Δ

TTchPP 11

00 ,

где PΔ – разность давлений, 0342,0=c – константа, 0P – атмосферное давление, 0T – абсолютная внешняя температура, T – абсолютная внутренняя температура.

Непосредственно поток воздуха за счет тяги может быть рассчитан как

TTT

ghwSQ 02−

= ,

где Q – поток воздуха, w – коэффициент сопротивления, S – площадь поперечного сечения, 2м/с81,9=g – ускорение свободного падения.

Естественная тяга зависит от атмосферных условий: чем выше температура наружного воздуха, тем, меньше разница плотностей газов. Существенно увеличить напор можно, только значительно увеличив высоту трубы, что конструктивно сложно и дорого.

Для увеличения тяги без применения механических устройств можно установить на устье трубы или вентиляционного канала дефлектор, преобразующий в разрежение энергию обтекающего его ветра. Он может обеспечить естественную вентиляцию даже без перепада температур. Но когда нет ветра, дефлектор не работает. На выходе можно также использовать диффузор.

Следует отметить, что для увеличения взаимодействия ветрогенератора и воздушного потока возможно использование вихревых структур, создаваемых как в свободной атмосфере, так и в специальных каналах, за счет специальной конструкции воздушного террикона, тем самым, придавая ему большую энергетическую эффективность. Эта возможность была продемонстрирована фирмой Mercedes-Benz для тушения пожаров, когда искусственный вихрь достигал 34,4 метров [8].

LCOI-Reviews, No. 11, 2012

42

Такие генераторы закрученного потока подобны по своим свойствам природному

смерчу, обладающему значительным запасом кинетической энергии. Одной из наиболее разработанных конструкций ветроэнергетической установки с

вихревыми структурами, ограниченными стенками, является вертикально-осевой пропеллерный ветродвигатель, над которым расположена торнадо-башня (рис. 3). Поток воздуха, закручиваясь, входит внутрь башни через регулируемые направляющие лопатки. В приосевой зоне вихря возникают значительное разрежение и большие угловые скорости, что вызывает подсос дополнительных масс воздуха из окружающей среды.

В результате скорость перед ветроколесом значительно превышает скорость атмосферного потока, а за самим ветроколесом создается значительное разрежение [9].

Способность вихревых структур концентрировать в своей осевой части энергию из окружающего пространства позволяет использовать такие ветроэнергетические установки в регионах с низкими скоростями ветра. В рассмотренной схеме ветроэнергетической установке отпадает также необходимость в установке ветродвигателя на направление ветра.

Рис. 3. Схема вертикально-осевого ветродвигателя с торнадо-башней: 1 – регулирующие вертикальные открытые жалюзи; 2 – закрытые жалюзи; 3 – ветротурбина; 4 – вертикальная башня; 5 – подводящее опорное устройство; 6 – электрогенератор

Предварительный анализ возможности использования воздушного террикона при

высоте тепловой трубы порядка 225 м и диаметре порядка 10 м показал энергетическую перспективность данного направления и принципиальную возможность использования воздушных терриконов для очистки воздуха на перекрестках автомобильных дорог.

Кроме прямого функционального предназначения такого рода конструкции могут быть использованы для туристических целей при их дополнении соответствующим оборудованием: лифтом, смотровой площадкой, световым и музыкальным оформлением.

Такие воздушные терриконы при их широком применении в крупных городах, вблизи или на территории «экологически грязных» предприятий, на мобильных платформах для непосредственной (прямой) очистки атмосферы могут обеспечить еще одну важную «экологическую функцию»: уменьшить количество мелкодисперсной пыли в атмосфере, что также будет вносить вклад в уменьшение последствий изменения климата.

К неорганизованные выбросы мелкодисперсной пыли из низких источников можно отнести: аварийные выбросы радиоактивной пыли с сооружений атомных электростанций; выноса промышленных аэрозолей из производственных цехов поднятия пыли с поверхностей строительных и промышленных площадок, улиц и дорог; износ пыли с терриконов шахт и карьеров; концентрация выхлопных газов автомобилей в городах и т.п.

LCOI-Review, No. 11, 2012

43

С последствиями таких неорганизованных выбросов в атмосферу принято бороться в

основном только вблизи этого низкого источники: сам источник обеспечивается соответствующими фильтрами, если это возможно; выполняется очистка и обеззараживание прилегающей территории, если выбрасывалось вредное вещество; и проводятся другие аналогичные мероприятия локального масштаба. В отдельных случаях выполняется мониторинг дальнейшего распространения и рассеяния массы выброса, а также фиксация и исследование места его осаждения с последующим удалением последствий. Обычно не практикуется ликвидация последствий неорганизованного выброса в атмосферу на пути его распространения, то есть в процессе его перемещения в атмосфере.

Хотя, при аналогичных ситуациях в водной среде (например, ликвидация последствий утечки нефти из танкера или скважины обычно начинается в самом источнике загрязнения, вблизи него, на открытой водной поверхности, и завершается на загрязненном берегу) борьба с последствиями загрязнения проводится на всех этапах распространения загрязнителя.

Эта ситуация нашла свое отражение в международных стратегиях противодействия глобальному изменению климате (в Киотском протоколе главным механизмом является ограничение выбросов парниковых газов, то есть действие на источники выбросов) и в приоритетах научно-технологического развития Европейского Союза (в 7-й Рамочной Программе ЕС по научным исследованиям и технологическому развитию в теме «Окружающая среда, включая изменение климата» акцент делается на исследованиях по развитию методов очистки атмосферы путем ограничения выбросов на энергетических предприятиях, а также методов наблюдения изменения климата, адаптации к изменениям климата, но не по предотвращению их последствий).

Общепринятой стратегией борьбы с изменением климата является разработка очистного оборудования, которое устанавливается на источники организованных (плановых) выбросов в атмосферу парниковых газов и других загрязнителей, а неорганизованные (аварийные) выбросы рассматриваются как непредвиденные явления, последствия которых могут быть существенными или несущественными для окружающей среды и населения. Поэтому, принятие решений по ликвидации последствий неорганизованных выбросов обычно откладывается до момента очередной техногенной или природной катастрофы.

Учитывая новые современные взгляды на экологические науки, которые должны не только исследовать воздействие человека на природу, но и противостоять этому действию, можно сформулировать следующие элементы стратегии активного реагирования на загрязнение атмосферы неорганизованными выбросами из низких источников [10, 11], которые необходимо развивать в ближайшей перспективе:

- средства мониторинга (наземные, воздушные и космические) ожидаемых (запланированных или предусмотренных) выбросов;

- средства мониторинга (наземные, воздушные и космические) непредвиденных (природных и техногенных) выбросов;

- стационарные средства активного воздействия на ожидаемые выбросы, которые размещаются как на самих источников выбросов, так и вблизи этих источников;

- мобильные средства (наземные и воздушные) активного воздействия на непредвиденные выбросы как вблизи их источников, так и на пути их распространения;

- профилактические средства (наземные и воздушные) активного воздействия на атмосферу для поддержания и улучшения окружающей среды.

Наличие хотя бы ограниченного количества таких элементов (после их проектирования, изготовления и тестирования) в рамках специальной службы позволит оперативно осуществлять мероприятия по уменьшению последствий для атмосферы природных и техногенных явлений: энергетических и промышленных аварий; лесных и других пожаров; городских смогов и других скоплений выхлопных газов; изъятия из атмосферы углекислого газа и других вредных компонент.

LCOI-Reviews, No. 11, 2012

44

Стратегия активного реагирования на загрязнение окружающей среды при

неорганизованных выбросах в атмосферу из низких источников [12] предусматривает использование математического и компьютерного моделирования процессов распространения загрязнений с учетом рельефа местности и погодных условий, методов физического воздействия на потоки загрязнений с целью их концентрации и сбора, способов физико-химической и биологической нейтрализации и ликвидации загрязнений. Средства мониторинга должны размещаться вблизи источника выброса, на мобильных платформах (наземного и воздушного базирования) вместе со средствами активного воздействия на массу выброса, распространяется, а также на космических объектах наблюдения за состоянием атмосферы.

Развитие этой стратегии активного реагирования на факторы, которые вызывают изменение климата, сейчас относят к технологиям геоинженерии и опасаются использовать в связи с непредсказуемость последствий их применения в глобальных масштабах. Предлагаемое устройство – воздушный террикон, оказывает локальное воздействие на приземный слой атмосферы, производя его очистку от вредных примесей.

Список использованной литературы 1. Всемирная метеорологическая организация. Наш будущий климат. ВМО, № 952,

Женева, Швейцария, 2003. – 37 с. [Электронный ресурс] – Режим доступу: http://www.wmo.ch/ 2. Израэль Ю.А. Изменения глобального климата. Роль антропогенных воздействий. /

Ю.А. Израэль, Г.В. Груза, В.М. Катцов, В.П. Мелешко. – Метеорология и гидрология, №5, 2001. – С. 5–21

3. Секретариат Рамочной конвенции ООН об изменении климата (РКИК). Архив документов и решений Конвенции, новости, данные о выбросах парниковых газов в разных странах, официальные государственные доклады по проблеме изменения климата, информация о Киотском протоколе и ходе его ратификации [Электронный ресурс] – Режим доступу: http://www.unfccc.int/

4. Шеставін М.С. Фотохімічний туман – смог: залежність від зміни клімату, вплив на стан здоров’я населення та засоби уловлювання // М.С. Шеставін / Питання адаптації до змін клімату в донецькому регіоні України (матеріали круглого столу). – Донецьк, 2010. С. 34-37

5. Discovery [Электронный ресурс] – Режим доступу: http://news.discovery.com/tech/ downdraft-wind-tower-120606.html

6. Jantzen M. [Электронный ресурс] – Режим доступу: http://www.michaeljantzen.com/ 7. Рихтер Л. А. Внешние газоходы и дымовые трубы // Л.А. Рихтер, Д.П. Елизаров,

В.М. Лавыгин // Вспомогательное оборудование тепловых электростанций. – М.: Энергоатомиздат, 1987. – С. 190–211.

8. The Mercedes-Benz Museum [Электронный ресурс] – Режим доступу: http://www.mercedes-benz-classic.com/

9. Янсон Р.А. Ветроустановки // Р.А. Янсон / Учебное пособие, издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, 2007. – 36 с.

10. Shestavin M. Strategy of Active Reating Towwards Pollution of Environment Caused by Non-Organised Emissions into the Atmosphere from Low Sources // Global Jean Monnet Conference 2007. - Brussels, 2007. - 3 p.

11. Shestavin M., Yepik M. Environmental Aspects of the European Union Neighbourhood Policy for Ukraine // Proceedings of the International Conference on Environment: Survival and Sustainability - 19-24 February 2007, Nicosia-Northern Cyprus: Volume 9. - P. 4491-4506.

12. Шеставін М.С. Можливості активного реагування на неорганізовані викиди в атмосферу з низьких джерел // VІ Міжнар. наук.-практ. конференція „Екологічна безпека: проблеми і шляхи вирішення”, 6-10 вересня 2010, Збір. наук. статей, том ІІ. – Алушта, АРК, 2010. - С. 209-214.

LCOI-Review, No. 11, 2012

45

ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ПРОЦЕССА ANAMMOX ДЛЯ

УМЕНЬШЕНИЯ ВЫБРОСОВ СО2 В РЕЗУЛЬТАТЕ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД

Лучина А.Ю., Бескровная М.В.

Донецкий национальный университет, Донецк, Украина

Определяются возможности применения нового процесса ANAMMOX для удаления минерального азота из сточных вод Донецкой области. Проанализировано состояние коммуникационно-очистных сооружений в Донецкой области. Предложены рекомендации по реконструкции существующих очистных станций с целью снижения выбросов СО2, СН4, N2O, которые образуются в результате биологической очистки сточных вод.

В ряду глобальных экологических проблем сегодня остро стоит проблема изменения

климата, на который влияют промышленные выбросы. Глобальное потепление может иметь для планеты и всего человечества катастрофические последствия. Негативные изменения уже присутствуют в нашей жизни. Повышение средней температуры воздуха на 2 градуса может привести к необратимым последствиям. Не допустить этого – задача всего человечества и, прежде всего, промышленно развитых стран.

К изменению климата и повышению температуры приводит в основном высокая концентрация в атмосфере углекислого газа (СО2), метана (СН4) и других парниковых газов. При обработке сточных вод происходит образование диоксида углерода, метана и закиси азота в результате анаэробного распада органического вещества под действием бактерий на очистных сооружениях и установках по утилизации.

Ускоренное внедрение возобновляемых источников энергии, замещение топлива и повышение энергоэффективности поможет добиться значительных необходимых сокращений эмиссии диоксида углерода. Однако существуют и другие меры, которые включают секторальные улучшения, начиная от увеличения распространения общественного транспорта и более экономичных автомобилей и заканчивая улучшениями в таких сферах, как обработка сточных вод, сельское хозяйство и утилизация отходов.

Выбросы парниковых газов от сточных вод оцениваются по следующим разделам[1]: - хозяйственно-бытовые сточные воды; - промышленные сточные воды; - сточные воды жизнедеятельности человека.

По оценкам, с 2010 по 2020 гг. доля выбросов в сельском хозяйстве, на угольных шахтах и полигонах ТБО будет почти постоянной и изменится менее чем на 1% относительно общемирового объема выбросов метана, или приблизительно на 7-10% в каждом секторе экономики (рис. 1). Ожидается, что выбросы метана, образующегося в гидроочистных сооружениях, возрастут почти на 12%. А выбросы метана в нефтегазовой отрасли увеличатся с 2010 по 2020 гг. примерно на 35%, увеличивая прогнозируемый рост объема мировых антропогенных выбросов метана на 3 и более процента в год [2].

Рис. 1. Общемировой объем выбросов по секторам экономики, 2010 г.

LCOI-Reviews, No. 11, 2012

46

На рис. 2 представлено процентное соотношение выбросов парниковых газов по

категориям источников в 2003 г. в Украине. Наибольший вклад в суммарный выброс парниковых газов от отходов вносят твердые бытовые отходы, поступившие на свалки. Второе место занимают бытовые сточные воды [3].

Рис.2. Распределение выбросов парниковых газов (%,в СО2 эквиваленте) от отходов

по категориям источников в 2009 г. Если сегодня проанализировать состояние канализационно-очистных сооружений

(КОС), то следует отметить, что почти 48 % стоков проходят очистку на больших очистных сооружениях, еще 27 % подаются на КОС средней продуктивности, и менее чем 10 % стоков поступают на небольшие очистные сооружения. В то же время количество небольших сооружений составляет 61 % всех КОС.

При проведении нами исследований в 140 поселках Донецкой области наличие действующих очистных сооружений подтвердилось только в 37. В удовлетворительном состоянии находятся только 17. Следует отметить, что техническое состояние практически всех канализационных очистных сооружений требует их модернизации и/или реконструкции. Сооружения, как правило, физически изношены и либо не выполняют свои технологические функции, либо не работают совсем (рис. 3).

-5

5

15

25

35

45

55

Больше 100 От 25 до100

От 10 до 25 От 1 до 10 Меньше 1

Единичная продуктивность КОС ,тыс. м.куб./сутки

Объем

очисщ

енны

х стоков

,% от

общего

Рис. 3. Пропускная способность канализационных очистных сооружений Донецкой области

Половина стоков, которые проходят очистку на таких КОС, не отвечают не только

государственным стандартам, но и временно установленным нормам (рис. 4).

LCOI-Review, No. 11, 2012

47

Рис. 4. Качество очистки сточных вод

Поступление азота в водоемы, особенно вместе с другими биогенными элементами, приводит к эвтрофикации водоемов. Кроме этого, высокие концентрации азота в воде, особенно в форме нитритов и нитратов, могут губительно влиять на человека, животных, рыбу и другие организмы. Поэтому содержание соединений азота в очищенных сточных водах жестко нормируется.

Наряду с ионообменными и мембранными методами очистки самым дешевым, экологически безупречным, а поэтому наиболее часто употребляемым методом очистки сточных вод является биохимический, основанный на использовании закономерностей биохимического и физиологического самоочищения рек и других водоемов [4].

Обычно биологическое удаление минерального азота из сточных вод с участием активного ила включает два процесса: окисление ионов аммония до нитрат-ионов (нитрификация) и восстановление последних до молекулярного азота (денитрификация). Оба эти процесса сложныt и включают несколько стадий каждый с промежуточным участием соединений азота во всех возможных степенях окисления от –3 до +5.

Нитрификация – это процесс биохимического окисления аммонийного азота сначала до солей азотистой кислоты или нитритов, а потом до солей азотной кислоты или нитратов. Реакция осуществляется нитрифицирующими автотрофными микроорганизмами (Nitrosomonas, Nitrosococcus, Nitrobacter и Nitrocystis) [5], для которых источником углерода является СО2, и протекает в две стадии:

NH4

+ + 1,5O2 → NO2- + 2H+ + H2O (1)

NO2– + 0,5O2 → NO3

- (2) Для осуществления процесса нитрификации в отсутствии или при недостатке

органического субстрата для построения биомассы нитрифицирующих бактерий требуется искусственная добавка источников неорганического углерода в виде НСО3

- или СО2 из расчета 2 мг-экв на 1 мг-экв окисленного аммонийного азота.

Денитрификация – это процесс окисления органических веществ кислородом, который входит в состав нитритов и нитратов, с одновременным восстановлением азота, который выделяется в атмосферу [5].

Анаэробная гетеротрофная денитрификация протекает в четыре стадии: 8 NO3

-(aq) + 2CH3COOH → 8NO2

-(aq) + 4CO2 + 4H2O (3)

8 NO2-(aq) + CH3COOH + 2H2O → 8NO(g) + 2CO2 + 8OH- (4)

8NO(g) + CH3COOH → 4 N2O(g) + 2CO2 + 2H2O (5) 4N2O(g) + CH3COOH → 4N2(g) + 2CO2 + 2H2O (6) 8NO3

-(aq) + 5CH3COOH → 4N2(g) + 10CO2 + 6H2O + 8OH- (7)

Процесс денитрификации является следствием метаболической деятельности

гетеротрофных бактерий, которые при окислении органических веществ используют как акцептор электронов молекулярный кислород, а в его отсутствие изменяют акцептор электронов, используя нитриты и нитраты.

LCOI-Reviews, No. 11, 2012

48

Нитраты восстанавливаются до нитритов, а нитриты – до молекулярного азота. В 1977 году известный австрийский биофизик Е. Брода на основе термодинамических

расчетов предсказал существование автотрофных бактерий, способных окислять аммоний нитритом или нитратом в бескислородных условиях [6]. Этот процесс был обнаружен в Роттердаме (Нидерланды) в пилотной установке по денитрификации, в которой аммоний исчезал с образованием молекулярного азота N2. Новый способ был назван «ANaerobic AMMonium OXidation» (ANAMMOX).

В сравнении с классическими технологиями применение современных биотехнологий с участием бактерий ANAMMOX дает возможность снизить потребление кислорода от 25 % до 60 %, уменьшить или даже ликвидировать необходимость в добавлении органического углерода, уменьшить количество илов, значительно снизить выбросы парниковых газов, уменьшить капиталовложения в строительство реакторов и повысить эффективность удаления аммония до ~ 90 %.

Важными достоинствами данной технологии являются уменьшение выбросов CO2 в атмосферу на 85-90% по сравнению с традиционными методами, а также относительная дешевизна [7]. Использование технологии ANAMMOX приводит к экономии 2,2 кВт•ч на каждый кг удаленного азота – по сравнению с традиционной нитри-денитрификацией.

Центральную роль в процессе играют недавно открытые бактерии, осуществляющие анаэробное окисление аммония нитрит-ионами, т.н. ANAMMOX бактерии (ANaerobic AMMonium OXidation). Энергетическую основу их жизнедеятельности составляет химическое превращение:

NH4

+ + NO2- → N2 + 2H2O; ДG = –86 ккал (8)

Таким образом, аммоний может быть окислен, выступая донором электронов в

реакции денитрификации, причем свободная энергия такой реакции эквивалентна энергии процесса нитрификации [8].

Такой автотрофный процесс – это альтернатива денитрификации нитрита, которая не требовала бы органического углерода и характеризовалась бы пониженным образованием шламов.

Полная реакция приведена ниже [9]:

( )4 2 2 2 3

2

1,3 0, 042 0, 042 0, 22

0, 08 1, 67

NH NO CO биомасса N NO

OH H O

+ − −+ + → + + +−+ + (9)

Из этого уравнения можно заключить, что микроорганизмы катализируют две любопытные реакции: анаэробное окисление аммония в газообразный азот и анаэробное окисление нитрита в нитрат. Приведенная реакция иллюстрирует новый микробиологический процесс удаления азота, детальный механизм которого до сих пор до конца не выяснен. Существует предположение, что нитрит превращается вначале в гидроксиламин (NH2OH), который затем реагирует с аммонием с образованием гидразина (N2H4). Последний затем окисляется до газообразного азота [9].

В последние 5-8 лет в западной литературе опубликовано значительное количество работ, посвященных исследованию ANAMMOX – процесса [10 - 14]. Построена и действует промышленная установка по удалению 750 кг азота в сутки [14].

Процесс ANAMMOX составляет благоприятную альтернативу классическому двухстадийному методу удаления минерального азота из бытовых сточных вод. Он на четверть снижает потребление кислорода и существенно уменьшает капиталовложения и повышает эффективность удаления аммония до 90 %.

LCOI-Review, No. 11, 2012

49

Для возможного снижения выбросов СО2 на станциях очистки сточных вод

рекомендуется установка следующих видов оборудования: 1. Системы анаэробного сбраживания осадка сточных вод (новая конструкция или

модернизация существующих систем аэробной очистки). 2. Системы улавливания биогаза в существующих открытых анаэробных

отстойниках. 3. Новые централизованные установки аэробной очистки или крытые отстойники. 4. Системы улавливания и сжигания газа в факеле или системы использования

метана (например, производство электроэнергии на месте или другие виды использования для подогрева).

Список использованный литературы

1. Национальный отчет о кадастре парниковых газов в Украине за 2003 год. Том 1. Министерство охраны окружающей природной среды Украины, Киев. – 2005.

2. Global mitigation of non-CO2 greenhouse gases. United States Environmental Agency, Washington. – 2006. – 438 p. – http://www.docstoc.com/docs/7845160/Global-Mitigation-of-Non-CO2-Greenhouse-Gases

3. Березницкая М. В. Расчет выбросов в секторе «отходы» для национального кадастра парниковых газов / М.В. Березницкая, Л.В. Дмитренко // Сборник материалов 3-й Международной конференции "Сотрудничество для решения проблемы отходов". – Харьков. – 2006. – С. 272.

4. Ступин А.Б. Математическое моделирование процесса биологической очистки сточных вод от минерального азота / А.Б.Ступин, М.В. Бескровная, В.С. Оверко., С.Л. Литвиненко // Вiсник Донецького унiверситету. Природничi науки. – 2007.

5. Очистка сточных вод. / М. Хенце, П. Армоэс, Й. Ля-Кур-Янсен, Э. Арван – М.: «Мир», 2006. – 480 с.

6. Broda E. Two kinds of lithotrophs missing in nature // Z. Allg. Mikrobiol. – 1977. – V. 17 (6). – P. 491-493.

7. Effects of aerobic and microaeribic conditions on anaerobic ammonium-oxidazingng (ANAMMOX) sludge / M. Strous, K. Gerven, U.J. Kuenen [et al.] // Applied and Environmental Microbiology. – 1997. – V. 63. – P. 2446-2448.

8. Lindsay M.R. Cell compartmentalization in planctomycetes: novel types of structural organization for the bacterial cell / M.R. Lindsay, R.I. Webb, M. Strous // Archive of Microbiology. – 2001. – V. 175. – P. 413-429.

9. Van Niftrik L.A. The ANAMMOXosome: an intracytoplasmic compartment in ANAMMOX bacteria / L.A. Van Niftrik, J.A. Fuerst, J.S.S. Damste [et al.] // FEMS Microbiology Letters. – 2004. – V. 233. – P. 7-13.

10. Mulder A., Van de Graaf A.A., Robertson L.A. et al. Anaerobic ammonium oxidation discovered in a denitrified fluidized bed reactor // FEMS Microbiology. – 1995. – № 16. – P. 177 – 183.

11. Van de Graaf A.A.V., de Bruijn P., Robertson L.A. et. al. Autotrophic growth of anaerobic ammonium-oxidizing microorganisms in a fluidized bed reactor // Microbiology. – UK. 1996; 142 (Part 8): P. 2187-2196.

12. Jetten M.S.M., Strous M., Van de Pas-Schoonen K.T. et. al. The anaerobic oxidation of ammonium // FEMS Microbiology Reviews. – 1999. – № 22. – P. 421 – 437.

13. Wouter A.L., van der Star W.R., Abma D.B., et.al. Startup of reactors for anoxic ammonium oxidation: Esteriences from the first full-scale anammox reactor in Rotterdam // Water Research – 2007. – P. Volume 41, № 18 – P. 4149-4163.

14. Jetten M. S.M., Cirpus I. Rartal B. et. al. 1994 – 2004: 10 years of research on the anaerobic oxidation of ammonium // Biochemical Society. – 2005. – P. 119-123.

LCOI-Reviews, No. 11, 2012

50

ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ПЕРСПЕКТИВЫ ХРАНЕНИЯ СО2 В

ПАЛЕОЗОЙСКИХ ОСАДОЧНЫХ ОТЛОЖЕНИЯХ ДОНБАССА

Осетров В.В. ГРГП «Донецкгеология», Артемовск, Украина

Проведен анализ особенностей геологического строения Донецкого каменноугольного бассейна и

восточной части Днепровско-Донецкой впадины с позиции возможностей геологического хранения СО2. Определены потенциальные места для дальнейшего изучения их коллекторских свойств для долгосрочного хранения СО2, количественные критерии процесса хранения, а так же возможные варианты реализации процесса нагнетания и последующего хранения СО2 в Донбассе.

В результате выполненной работы в рамках проекта «Низко-углеродные возможности

для индустриальных регионов Украины», который выполняется Донецким национальным университетом при финансовой поддержке Европейского Союза, был проведен анализ особенностей геологического строения Донецкого каменноугольного бассейна и восточной части Днепровско-Донецкой впадины с позиции возможностей геологического хранения СО2, определены потенциальные места для дальнейшего изучения их коллекторских свойств для долгосрочного хранения СО2. С позиции геолого-промышленного районирования Донбасса их можно разбить на две большие группы:

1. Северо-западные окраины Донбасса (Бахмутская и Кальмиус-Торецкая котловины и прилегающие к ним участки).

2. Угленосные районы без промышленного освоения (Старобельский, Лозовской, Петриковский, Новомосковский).

Рис. 1. Схема геолого-промышленного районирования Донецкого бассейна.

Квадратами показаны места расположения угольных шахт, цифрами отмечены перспективные районы: 1 – Новомосковский, 2 – Петриковский, 3 – Лозовской, 4 – Старобельский, 5 – Северо-западные окраины Донбасса.

LCOI-Review, No. 11, 2012

51

Исходя из особенностей геологического строения, Бахмутская котловина была

выделена в качестве одного из наиболее перспективных мест хранения СО2 в пределах Северо-Западных окраин Донбасса. В строении Бахмутсвкой котловины большую роль принимают сохраненные от размыва гидрохимические отложения нижнепермского возраста. Предыдущими исследованиями была показана важная роль гидрохимических отложений в газонакоплении, которая заключается в их хороших изоляционных свойствах (чередование непроницаемых для нефти и газа слоев каменной соли, плотных ангидритов и гипсов). Также важно расположение гидрохимических отложений в верхней части крупного седиментационного цикла, в литолого-фациальном составе которого преобладают породы, обладающие хорошими коллекторскими свойствами. Эти факторы в совокупности с большой мощностью газопроницаемых осадочных пород создали благоприятные условия для свободной миграции углеводородов и их концентрации под непроницаемым покровом гидрохимических отложений.

Среди количественных значений критериев процесса хранения были определены: 1) коллекторские и газоемкостные параметры пород; 2) проницаемость газоизоляционной покрышки; 3) максимальная и минимальная глубина хранения СО2. Рассмотрим эти критерии более подробно. 1. Основными параметрами коллекторских и газоемкостных свойств песчаников

являются: открытая пористость, степень заполнения пор газом, влажность, проницаемость. Открытая пористость характеризует емкость песчаника, доступную флюидам и не отражает характера флюида. Можно сказать, что открытую пористость в отдельности можно использовать лишь в теоретических идеальных случаях, когда поровое пространство породы не заполнено водой и газом. В реальности на коллекторские свойства песчаников влияют и другие многочисленные факторы. Так, например, метановая газоносность песчаников находится в сильной зависимости от их влажности (обводненности) [5].

Средние значения открытой пористости песчаников Донбасса в разных районах варьируются в пределах 2-10% и зависят от размеров породообразующих зерен, степени их окатаности, стадии катагенеза, степени уплотнения [1]. Результаты исследований по некоторым шахтам Донбасса показывают, что степенью заполнения пор газом выше 50% (промышленная метановая газоносность) обладают песчаники с влажностью менее 2% и открытой пористостью в пределах 7-11% [5]. Открытая пористость песчаников верхнего карбона в бортовых частях Бахмутской и Кальмиус-Торецкой котловин составляет от 10-13% до 20-22% [3].

Необходимо отметить, что коллекторские свойства песчаников и других терригенных пород Донбасса в отношении углекислого газа пока остаются неизученными. Неизвестно, как будут зависеть СО2-емкостные свойства песчаников от вышеперечисленных параметров. Для оценки СО2-емкостных потенциалов песчаников Донбасса необходимо провести комплекс экспериментальных исследований.

2. Проницаемость покрышки определяется не только физическими свойствами слагающих пород, но также и ее целостностью. В случае нарушения пластов геологическими разломами их газоизоляционные свойства значительно снижаются.

3. Минимальная глубина хранения СО2 определяется давлением и температурой, при которых СО2 переходит в жидкую фазу и составляет примерно 800 м. Плотность СО2 при этих условиях будет находиться в пределах 50-80% от плотности воды, что сопоставимо с плотностью некоторых видов сырой нефти. Это ограничение задает минимальную глубину залегания горизонтов коллекторов и совместно с другими критериями должно использоваться при определении перспективных участков для хранения СО2.

Однако следует учитывать, что это значение было получено в бассейнах с иными горно-геологическими условиями, и в Донецком бассейне глубина с сопоставимыми термо-барическими параметрами может быть другая.

LCOI-Reviews, No. 11, 2012

52

Максимальная глубина залегания коллектора определяется экономической

рентабельностью и технологическими возможностями. Были определены возможные варианты реализации процесса нагнетания и

последующего хранения СО2 в Донбассе [6-8]: 1. Нагнетание СО2 в негазоносные горизонты, обладающие свойствами коллекторов. 2. Нагнетание СО2 в неразрабатываемые угольные пласты и вмещающие угленосные

породы для повышенного извлечения угольного метана (ПИМ). 3. Нагнетание СО2 в отработанные нефтегазоносные коллекторы. Предложена следующая последовательность при выделении перспективных участков: 1. Выделение площадей, в разрезе которых присутствуют породы – коллекторы

(песчаники и алевролиты), залегающие на глубинах 800 м и более, перекрытые изолирующей толщей пород.

2. Построение литологических колонок с выделением перспективных горизонтов – коллекторов.

3. Построение карт поверхности выделенных горизонтов. Оконтуривание площадей горизонтов, залегающих ниже глубины 800 м.

4. Нанесение на карту контуров шахтных полей, площадей месторождений, подземных горных выработок, геологоразведочных и эксплуатационных скважин и всех имеющихся структурных элементов (тектонических нарушений, соляных штоков, интрузивных тел и др.).

5. Анализ полученных данных, оконтуривание перспективных участков. Решение этих задач позволит в дальнейшем оценить не только емкостной СО2-

потенциал Донецкого бассейна и его окраин, а и обосновать возможности повышения выхода метана в процессах промышленного освоения газовых ресурсов Донбасса.

Список использованной литературы 1. Баранов В.А. Влияние структуры на пористость песчаников Донбасса //

Геотехническая механика, 2010, № 88. – С. 70-76. 2. Горяйов С., Лакоба М., Павлов С. Оценка перспектив газоносности новых

литологических ловушек на северном борту Бахмутской котловины // Геолог Украины, 2011, №2 (34). – С. 99-102.

3. Жикаляк М. Неосвоенные газовые ресурсы песчаников Донбасса с низкой проницаемостью // Геолог Украины, 2011, №2 (34). – С. 103-107.

4. Чирвинская М.В. О границах распространения, условиях залегания и газонефтеносности хемогенных образований нижней перми Днепровско-Донецкой впадины. Материалы по геологии и газоносности нижнепермских отложений юга Русской платформы. Харьков, 1961. – С. 51-57.

5. Шкуро Л.Л., Горбачева Г.Н. Оценка газоносности песчаников в горных выработках, с учетом показателей пористости и влажности // Геотехническая механика, 2010, № 88. – С. 118-123. 6. Жикаляк Н.В., Осетров В.В. Геологические перспективы хранения СО2 в палеозойских осадочных отложениях Донбасса // Збірка доповідей національного екологічного форуму „Екологія промислового регіону”, том 1. – Донецьк: Державне підприємство „Донецький екологічний інститут”, 2012. – С. 50 – 53. 7. Бескровная М.В., Осетров В.В., Шеставин Н.С. Перспективы улавливания и геологического хранения СО2 в Донбассе // Там же, том 1. – С. 105 – 106. 8. Беспалова С.В., Жикаляк Н.В., Осетров В.В., Шеставин Н.С. Оценка возмож-ностей улавливания и хранения СО2 в палеозойских осадочных отложениях Донбасса // Современные проблемы литологии осадочных бассейнов Украины и сопредельных территорий. Сборник материалов международной научной конференции, 8-13 октября 2012, Кие, Украина. – Киев: Институт геологических наук НАН Украины. – 2012. – С. 18.

LCOI-Review, No. 11, 2012

53

КРИТИЧЕСКОЕ СРАВНЕНИЕ ТЕОРИЙ «ЗЕЛЕНОГО РОСТА» И «УГЛЕРОДНОГО СЛЕДА»: АНАЛИЗ ПРАКТИКИ ВНЕДРЕНИЯ

НИЗКО-УГЛЕРОДНЫХ ОТКРЫТЫХ ИННОВАЦИЙ КАК ИНСТРУМЕНТОВ СТАБИЛИЗАЦИИ КЛИМАТА

Савкевич А.В, Чеботова Е.Н., Шеставин Н.С.

Донецкий национальный университет, Донецк, Украина

Сопоставление результатов внедрения в разных странах двух теорий: «Зеленого Роста» и «Углеродного Следа», - показывает актуальность выводов почти забытого доклада Римского клуба ”Limits to Growth”. Современное развитие Экономики, Энергетики и Окружающей среды основывается на решениях доклада Nicholas Stern “The Economics of Climate Change” и исследованиях фирмы McKinsey&Company, которые предлагают переход к «зеленой» экономике путем внедрения низко-углеродных технологий во все сферы человеческой деятельности. Такие технологии могут обеспечить стабильный экономический рост, но при этом фактически не учитывается «углеродный и экологический след» этих технологий: от стадии изготовления до стадии эксплуатации при широкомасштабном внедрении их в ряде стран или во всем мире. На ряде практических примеров внедрения технологий возобновляемых источников энергии и технологий улавливания и хранения диоксида углерода показаны возникающие противоречия между экономическим ростом и экологическими (климатическими) последствиями их внедрения. Предложено перейти к принципам открытых инноваций для привлечения к решению проблем стабилизации климата всего интеллектуального потенциала человечества. Обоснована необходимость возращения к парадигме «пределов роста во всех сферах деятельности человека» как альтернативного пути развития человечества.

В большинстве стран мира в настоящее время главным приоритетом экономического развития стала адаптация к изменению климата и смягчение его последствий. Для осуществления перехода национальных экономик к этому приоритету разрабатываются стратегии развития так называемой «зеленой» экономики, которая основывается на идеи «Зеленого роста» (Green Growth) [1]. То есть парадигмой развития остается максимальная прибыль и свободная конкуренция, а направлением развития становится модернизация или создание новых предприятий путем внедрения низко-углеродных технологий для минимизации воздействия на окружающую природную среду и климат.

Параллельно развивается идея «Углеродного следа» (Carbon Footprint) [2] предприятий, городов, общин, семей и индивидов, которая позволяет оценить вклад фактически любой деятельности (как индивидуальной, так и коллективной) в процессы глобального потепления путем расчета эмиссии парниковых газов, которые поступят в атмосферу от результатов этой деятельности. Хотя такие расчеты выполняются приблизительно, но все-таки дают общую картину влияния конкретного человека, мероприятия, производства или предприятия на глобальный климат.

Пока эти две идеи развиваются параллельно почти не пересекаясь на конкретных вопросах экономического развития стран: предприниматели рапортуют об уменьшении эмиссии парниковых газов на своих предприятиях, а экологические активисты пытаются доказать наличие или увеличение этой эмиссии имея только косвенные данные об их величине. Роль государства в этих процессах должна сводиться к получению от предприятий реальных данных, их обработке и обнародованию.

Аналогичные исследования глобальных моделей развития уже проводились в 70-е года прошлого столетия: это выводы почти забытых докладов Римского клуба “Limits to Growth” [3] и “Beyond the Limits of Growth” [4], где в качестве базовых были взяты следующие параметры: экономический рост, рост численности населения при ограниченных природных ресурсах. Выводы о необходимости изменения парадигмы развития для предотвращения прогнозируемого «коллапса» фактически остались без внимания со стороны политиков, которые только ввели в обиход термин «устойчивое развитие» и продолжали прикладывать все усилия к обеспечению экономического роста (сейчас «зеленого» роста) своих стран.

LCOI-Reviews, No. 11, 2012

54

Такая политика привела к возникновению глобальной проблемы изменения климата,

решить которую сейчас пытаются старыми экономическими методами, основываясь на решениях доклада Nicholas Stern “The Economics of Climate Change” [5] и исследованиях фирмы McKinsey&Company [6], которые предлагают переход к «зеленой» экономике путем внедрения низко-углеродных технологий во все сферы человеческой деятельности.

К низко-углеродным технологиям практически относятся все технологии, внедрение которых будет приводить к уменьшению эмиссии парниковых газов по сравнению с ранее используемой в этой отрасли. Но такая новая технология часто приводит к увеличению себестоимости продукции, что перекладывается на потребителя (прямо через увеличение цены или косвенно посредством получения от государства субвенций). Добровольно такой процесс внедрения низко-углеродных технологий почти не осуществляется (на большинстве предприятий доминирует парадигма максимизации прибыли), поэтому государство обычно применяет два метода активизации «зеленого» роста:

- Фискальный - введение налога на чрезмерную эмиссию парниковых газов или на перерасход энергии, ресурсов и т.п.;

- Поощрительный - субсидии на внедрение и льготы при использовании технологий. При этом практически нет возможности прогнозировать социальные и экономические

последствия для конкретных стран по причине неопределенности реакции частного бизнеса на примененные методы активизации. Некоторые исследования такой реакции в Европе были выполнены в последнее время. Например, было исследовано изменение частной занятости в зависимости от увеличения на 1% налога на расход энергии [7].

Рис. 1. Среднее изменение занятости по секторам от увеличения на 1 %

энергетических налогов [7] При этом получилось (рис. 1), что средневзвешенное изменение занятости составило -

0,1 %, т.е. общее уменьшение занятости, а максимальное уменьшение в -1,5% ожидается на воздушном транспорте – затем в меньшей степени уменьшится занятость у производителей офисной техники, строительных конструкций, электро- и радиооборудования, автомобилей и т.д. Однако, увеличится занятость до +0,75% в отрасли производства одежды, текстиля, продукции из металла, цемента, дерева, пластика, и т.д.

LCOI-Review, No. 11, 2012

55

Выполненное по 27 станам OECD сравнение зависимостей отношения величины

эмиссии парниковых газов (рис. 2) в различных отраслях деятельности к добавленной стоимости от количества занятых в этой отрасли [8] указывает на тенденцию вывода из этих стран предприятий отраслей, которые являются главными источниками эмиссии парниковых газов: энергетики, металлургии и химических производств.

Рис. 2. Секторальная занятость и интенсивность эмиссии СО2 в этих секторах [8] Эти предприятия переводятся в третьи страны, где пока нет жесткого

законодательства относительно объемов эмиссии парниковых газов и имеется дешевая рабочая сила. А транспортная сфера, которая входит в список главных загрязнителей атмосферы, вынуждена модернизироваться в направлении «зеленых» транспортных средств, так как нет возможности изменить место расположения. В результате в этих странах растет безработица, а третьи страны становятся «главными виновниками» загрязнения атмосферы, эмиссии парниковых газов и изменения климата.

Такая государственная политика может обеспечить временный стабильный экономический рост, но при этом фактически не учитывается «углеродный и экологический след» этих технологий: от стадии изготовления (большинство комплектующих изготавливаются в третьих странах) до стадии эксплуатации при широкомасштабном их внедрении.

На ряде практических примеров внедрения технологий по возобновляемым источникам энергии [9-11] можно показать возникающие противоречия между экономическим ростом и экологическими (климатическими) последствиями их внедрения. От широкого внедрения этих технологий ожидается уменьшение эмиссии СО2 в 2050 году на 21%, что в совокупности с внедрением других низко-углеродных технологий позволит к 2050 году уменьшить от ожидаемого объема эмиссии СО2 в 62 Gt/year до 14 Gt/year (рис.3), что соответствует половине выбросов СО2 в 2005 году [12].

LCOI-Reviews, No. 11, 2012

56

Рис. 3. Эмиссия СО2 в зависимости от внедрения низко-углеродных технологий [12]

Но при этом не учитывается, что развитие ветровой энергетики требует больших расходов цемента (для создания опор) и металлов (силовые и электрические конструкции), а также осуществления транспортировки на значительные расстояния. Все эти технологические процессы создания ветрогенераторов требуют значительных затрат энергии и ресурсов, которые учитываются при определении стоимости такой установки, но не учитываются при отчетах о замете традиционных мощностей производства электроэнергии.

Необходимо ввести понятие «ресурсо-окупаемости» по аналогии с понятием финансовой окупаемости инвестиционных проектов, которое будет характеризовать период времени работы ветрогенератора, необходимый для компенсации эмиссии парниковых газов, которые поступили в атмосферу при его изготовлении, транспортировке, монтаже и запуске в эксплуатации.

Аналогичные понятия можно ввести и для других видов возобновляемых источников энергии: солнечной энергетики всех видов, геотермальной и гидро- энергетике и т.п. При этом можно использовать уже введенные понятия [13] «Следа в окружающей среде» (Environmental footprints), который состоит из трех компонент:

- Экологического следа (Ecological footprint), измеряемого площадью зараженной земли, выведенной из сельскохозяйственного, городского и бытового использования;

- Углеродного следа (Carbon footprint) – объемом эмиссии парниковых газов в атмосферу, а также выбросами других загрязняющих веществ;

- Водный след (Water footprint) – объемом зараженной воды, непригодной к использованию человеком и в производстве.

В свою очередь, из Экологического след можно выделить так называемые Материальные следы (Material footprints):

- Минеральный след (Mineral footprint), то есть изъятие из земли металлов, негорючих минералов, строительных материалов и т.п.;

- Химический след (Chemical footprint) – это производство биополимеров, нефтехимической продукции и других химических продуктов;

- Энергетический след (Energy footprint) – использование возобновляемых источников энергии (ветра, солнечного света, подземного тепла и т.п.), ископаемого топлива, горючих минералов и других источников энергии.

И если все эти СЛЕДЫ рассматривать вместе, то их конвергенция даст Социо-экономический след (Socioeconomic footprints), который уже непосредственно связан с человеком: его занятостью, здоровьем и численностью населения. А это фактически повторение известных моделей глобального развития [3] и моделирование по различным сценариям дает перспективу глобального изменения климата [14].

LCOI-Review, No. 11, 2012

57

Аналогичная ситуация складывается и с широкомасштабным внедрением технологий

Carbon Capture and Storage (CCS) [15-17], которое должно привести к уменьшению эмиссии СО2 в 2050 году на 19% от ожидаемого (без использования низко-углеродных технологий) объема эмиссии СО2 в 62 Gt/year [12]. Внедрение технологий CCS приведет к подорожанию в среднем на 30% электроэнергии (энергетический след), а также может оставить неопределенный на данный момент «экологический след» от использования земли для транспортировки и геологического хранения СО2 и «химический след», связанный с использованием различных химических способов улавливания СО2. Эти последствия внедрения технологий CCS требуют тщательных исследований при выборе источника СО2, на котором будет улавливаться СО2, и конкретных участков геологического хранения СО2.

Важную роля при решении проблем, вызванных изменением климата, играет международная система защиты интеллектуальной собственности, которая очень часто препятствует передаче низко-углеродных технологий развивающимся странам [18-20]. На развивающиеся страны сейчас переходит функция главных производителей «грязной» продукции, так как в передовых странах высоко подняли стандарты качества жизни и необходимые, но «грязные», производства переводятся в третьи страны, где нет жестких правил охраны окружающей среды. Такие операции приносят большую прибыль владельцам этих «грязных» производств и они не заинтересованы в их добровольной модернизации, которая требует значительных финансовых затрат.

Также препятствует модернизации «грязных» технологий, которые используются местными предпринимателями из развивающихся стран, международная система защиты интеллектуальной собственности, когда переход на «чистые» технологии сопряжен с приобретением прав использования интеллектуальной собственности (даже не эксклюзивных). Переход на принципы «открытых инноваций» в сфере внедрения низко-углеродных технологий в развивающихся странах может содействовать решению глобальных климатических проблем [20]. А если всем известным (запатентованным) низко-углеродным технологиям предоставить статус открытых инноваций, то это станет основным инструментом решения проблем стабилизации климата.

Современные глобальные вызовы ставят новые проблемы перед человечеством, которое в своем развитии приблизилось или уже перешагнуло «точку не возврата». Одной из таких важных проблем является перспектива глобального изменения климата, которое может привести к возникновению острых политических и социально-экономических конфликтов как внутри государств, так между странами.

Все предпринимаемые сейчас попытки в рамках старых общественных ценностей не приводят к улучшению ситуации с объемами эмиссии парниковых газов – они продолжают расти в масштабах планеты, хотя в некоторых государствах удалось сократить объемы эмиссии СО2 за последние 10 лет. Хотя уже разработаны и частично внедрены различные низко-углеродные технологии, которые при их широкомасштабном применении могли бы решить проблему уменьшения в два раза эмиссии СО2 в 2050 году по сравнению с 2005 годом. Но этому препятствует международная система защиты авторских прав, которую необходимо перестроить по принципам «Открытых Инноваций» для стимулирования диффузии низко-углеродных технологий в развивающиеся страны.

Сейчас готовится Пост-Киотское соглашение, которое основывается на принципах получения прибыли в любых ситуациях, что вряд ли приведет к существенным уменьшениям объемов эмиссии парниковых газов в масштабах планеты, что вызывает необходимость поиска новых (старых) принципов воздействия на общество потребителей, которое основано на росте потребления (пусть даже и «зеленом»).

Назрела необходимость возращения к парадигме «пределов роста» во всех сферах деятельности человека как альтернативному пути сбалансированного развития человечества с обеспечением экономических условий стабилизации климата.

LCOI-Reviews, No. 11, 2012

58

Список использованной литературы 1. Inclusive Green Growth: The Pathway to Sustainable Development. - The World Bank,

Washington, 2012. - 174 pp. 2. Bagchi D., Biswas S., Narahari Y., Suresh P., Lakshmi L.U., Viswanadham N.,

Subrahmanya S.V. Carbon Footprint Optimization: Game Theoretic Problems and Solutions. - ACM SIGecom Exchanges, Vol. 11, No. 1, 2012. - P. 34-38.

3. Meadows D.H., Meadows D.L., Randers J., Behrens III W.W. The Limits to Growth. - Universe Books, 1972. - 205 pp.

4. Pestel E. Beyond the Limits to growth: a report to the Club of Rome. - Universe Books, 1989. - 191 pp.

5. Stern N. / The Economics of Climate Change: The Stern Review. - Cambridge, UK: Cambridge University Press, 2007. - 662 pp.

6. Impact of the financial crisis on carbon economics: Version 2.1 of the Global Greenhouse Gas Abatement Cost Curve. - USA: McKinsey & Company, 2010. - 14 pp.

7. Commins N., Lyons S., Schiffbauer M., Tol R.S.J. Climate policy and corporate behaviour. - The Energy Journal, Vol. 32, No. 4, 2011. - P. 51-68.

8. Towards Green Growth. - OECD Publishing, 2011. - 146 pp. 9. IPCC Special Report on Renewable Energy Sources and Climate Change Mitigation.

Prepared by Working Group III of the Intergovernmental Panel on Climate Change [O. Edenhofer, R. Pichs-Madruga, Y. Sokona, K. Seyboth, P. Matschoss, S. Kadner, T. Zwickel, P. Eickemeier, G. Hansen, S. Schlömer, C. von Stechow (Eds)]. - Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA, 2012. - 1075 pp.

10. Evaluating Policies in Support of the Deployment of Renewable Power. - Abu Dhabi, United Arab Emirates: IRENA Secretariat, 2012. - 24 pp.

11. Renewable Energy Jobs & Access. - Abu Dhabi, United Arab Emirates: IRENA Secretariat, 2012. - 80 pp.

12. Energy Tachnology Perspectives 2008: Scenarios & Strategies to 2050. - International Energy Agency, 2008. - 646 pp.

13. Anderson D.J. A Communications & Outreach Perspective / Critical Elements for New Energy Technologies: An MIT Energy Initiative Workshop Report, April 29, 2010. - Massachusetts Institute of technology, USA, 2010. - P 138-142.

14. Climate Change 2007: Synthesis Report // Contribution of Working Groups I, II and III to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change, Core Writing Team, Pachauri, R.K. and Reisinger, A. (Eds.). - IPCC, Geneva, Switzerland, 2007. - 104 pp.

15. IPCC Special Report on Carbon Dioxide Capture and Storage [B. Metz, O. Davidson, H. de Coninck, M. Loos and L. Meyer (Eds.)]. - Cambridge University Press, UK, 2005. - 431 pp.

16. Technology Roadmap – Carbon Capture and Storage. - International Energy Agency, 2010. - 52 pp.

17. The Global Status of Carbon Capture and Storage: 2012. - Canberra, Australia: Global CCS Institute, 2012. - 218 pp.

18. Cannady C. Access to Climate Change Technology by Developing Countries: A Practical Strategy. - International Centre for Trade and Sustainable Development, Geneva, Switzerland, Issue Paper No. 25, 2009. - 44 pp.

19. Rimmer M. Intellectual Property and Climate Change: Inventing Clean Technologies. - Edward Elgar Publishing, 2011. - 495 pp.

20. Krishna R.S. Role of Open Innovation Models and IPR in Technology Transfer in the Context of Climate Change Mitigation / Diffusion of Renewable Energy Technologies: Case Studies of Enabling Frameworks in Developing Countries - Technology Transfer Perspective Series [J. Haselip, I. Nygaard, U. Hansen, E. Ackom (Eds.)]. - UNEP Riso Centre, Denmark, 2011. - P. 147-158.

LCOI-Review, No. 11, 2012

59

МЕТОДЫ БИОМОНИТОРИНГА ВОЗМОЖНЫХ УТЕЧЕК СО2 ИЗ ХРАНИЛИЩ

Сафонов А.И.

Донецкий национальный университет, Донецк, Украина

Представлены результаты обзора современных публикаций о фитоиндикационных эффектах повышенных концентраций углекислого газа в окружающей среде. Выделены возможности реализации программ биомониторингового характера на базе кафедр биологического факультета Донецкого национального университета.

Цель исследования состояла в изучении перспектив использования растительных

организмов для диагностики качества состояния окружающей среды в аспекте повышенных концентраций СО2 для реализации регионального экологического фитомониторинга (как части запланированного биомониторинга на национальном уровне) в промышленно развитых регионах.

Фитоиндикационная экологическая экспертиза рассматривается нами как комплекс мероприятий мониторингового характера по установлению значимости реакции растительных организмов на действие конкретного фактора среды – специфическая индикация различных уровней организации живой материи и масштабов использования для ландшафтных единиц. Таким образом, мы рассматриваем любую информацию, которую можно извлечь из состояния растительного организма на различных уровнях организации, как часть индикационной базы, используемой для мониторинговых и экспертных программ.

Если рассматривать идею возможности использования растений для оценки и индикации нежелательных повышенных концентраций углекислого газа в окружающей среде, то необходимо иметь в виду многочисленные аспекты реакции растительных организмов на действие углекислоты с учетом специфики лабораторно-исследовательского подхода и уровней организации природной материи:

- изучение хлоропластов и путей перехода фотосинтеза к условиям теплого и сухого климата [1];

- комбинированные последствия влияния повышенной концентрации углекислого газа на фотосинтез у высших растений в контролируемых системах экологического жизнеобеспечения [10];

- анализ изменения атмосферного СО2 как характерной особенности экологической истории в период развития сосудистых растений, адаптационные механизмы растений в условиях разных концентраций углекислого газа, увеличение СО2 для увеличения продуктивности – количественная генетика и селекционные подходы; делается предположение, что радикальные изменения в газовом составе атмосферы (при катастрофических изменениях климата) могут существенно сказаться на фенотипе растений; возможны существенные скачки в урожайности, изменение ферментного состава, структурные перестройки в растениях, необходимые для фотосинтеза С4 в листьях С3 – эволюционный контекст и физиологическая интеграция реакции растений на изменения концентраций углекислого газа [14];

- физиологические процессы активности фотосинтеза, эффективности урожайности и концентрации углекислого газа в контролируемых условиях, фотодыхание и таксономическая зависимость в использовании различных групп растений – при уменьшении эффективности фотодыхания, стратегии расходования углекислого газа в ассимиляционных органах различных групп растительных организмов [24];

- различные технологии оценки углеродного баланса в горных экосистемах по изменению древесной биомассы, чистой продукции экосистем и почвенного углеродного концентрирования [7];

LCOI-Reviews, No. 11, 2012

60

- эволюционное значение углекислого газа с появлением эукариот на протяжении

миллиардов лет [3]; изучение ископаемых листьев растений для установления ретроспективных сценариев биологического прошлого среды и для прогнозирования климата на основе уровней углекислого газа в среде – высокая информативность биомеханических и биохимических признаков при многомерном подходе [11];

- моделирование климатических сценариев по изменению сообществ растительных организмов и микроэкосистем соответствующих точек на поверхности земли [3]; оценка углеродного баланса при выращивании кипарисовых посадок и сборе урожая в умеренных лесах [22]; взаимоотношение типов сообществ древесного и травяного состава в их конкуренции в отдельных регионах планеты, что связано с углеродным циклом в глобальном масштабе [4]; оценка воздействия повышенных концентраций СО2 на адвентивные растения (занесенные, растения флоры других регионов), сравниваются декоративные растения [20];

- коррелятивные процессы изменения климата и состояния лесных экосистем, 12 прогнозных сценариев, объединяющих рост биомассы, процессы распада, гниения, дыхания, возможные пожары и катастрофические вмешательства насекомых, выброс парниковых газов (с моделью углеродного бюджета канадского лесного сектора), мониторинг лесных массивов в ответ на глобальные климатические изменения, современные адаптированные стратегии лесного хозяйства, глобальные усилия по минимизации трансформирующего воздействия климата на леса [17];

- влияние повышенных концентраций углекислого газа на растения в условиях различных почвенных структур (биофизических параметров почвы), температура, влагоемкость и влажность почвы, оценка биомассы и урожая растений, корневые индексы, ферментативная активность [21];

- физиологические реакции мхов в условиях повышенных концентраций углекислоты – теория расширения термотолерантности фотосинтеза, особая чувствительность мохообразных к фактору углекислого газа в условиях теплового стресса [5];

- физиологические реакции различных видов лишайников в условиях загрязнения среды токсичными газами [9];

- устьичные реакции лабораторных тест-растений на различные концентрации углекислого газа в воздухе – эпидермальный фактор структурирования при росте растений в условиях различных экологических сценариев, получение требуемой устьичной плотности при генетических манипуляциях [6];

- трансформации в структуре мезофилла листовых пластинок, роль специальных белков, способствующих диффузии углекислого газа и проницаемости мембранных структур в естественных условиях выращивания лабораторных растений, связь этих процессов с освещенностью и увлажнением – оценка мезофилльной проводимости СО2 [8]; мезофилльная проводимость в листьях однодольных и эффект Пекле, длительность фотосинтетических ферментов [12]; колебания в атмосфере концентрации углекислого газа в сторону его увеличения могут и приводят к изменению межконкурентных отношений сорняков и культурных растений на примере помидоров и амаранта: эти экспериментальные данные доказывают, что увеличение СО2 может усугубить конкурентные отношения между группами растений С3 и С4 путей фотосинтеза при увеличении засухи – или физиологической недоступности влаги [23];

- обнаружение утечки углекислого газа по спектральным характеристикам растительности (имитационный эксперимент) для оценки воздействия высокой концентрации СО2 в почве на растительные объекты – по соотношению хлорофилла и каротиноидов, уменьшение вегетационного индекса, соотношение хлорофилла А и В [13];

- организация мониторинга утечки углекислого газа в атмосферу из-под земли по методу нескольких спектральных изображений растительности, основанном на индуцированном растительном стрессе; результаты регрессионного анализа отражения и нормализованного разностного вегетационного индекса с течением времени показывают

LCOI-Review, No. 11, 2012

61

значительную корреляцию межу концентрацией углекислого газа и изображениями, что свидетельствует об эффективности этого метода для контроля утечки СО2; осуществлен анализ вегетационных индексов [18];

- негативные последствия для биоразнообразия, которые могут возникнуть в результате реализации программы неуместной (неправильной, некорректной) посадки деревьев, если даже эта программа направлена на уменьшение атмосферных выбросов углекислого газа для эффективного способа изменения климата: уничтожение аборигенной (местной) флоры и растительности для новых посадок древесных насаждений, посадка пород деревьев, которые могут проявлять инвазионную способность и нарушить фитосанитарный баланс территории, древесные насаждения негативно могут сказаться на ключевые экосистемы и быть причиной опасных процессов, например пожар, нарушение гидрологического режима; при этом возможные ошибки в экологическом менеджменте: монотипичность посадок – уменьшается экологическая ценность, количественная экологическая неопределенность, невозможность осуществления прогнозных сценариев по реакции местных жителей (аборигенных видов) на появляющиеся экологические проблемы в регионах эксперимента [15];

- технологии строительства и функциональной активности при создании "зеленых крыш" на крышах домов для смягчения последствия загрязнения; предполагается разработка усовершенствованных растущих субстратов, использования городских крыш в сельском хозяйстве, связывание углерода, оценка воздействия на здоровье человека [19];

- экспериментальные установки по определению углеродного баланса при переносе растений из одного климатического региона в другой и наоборот: факторы влажности и засухи, воздействия на экосистемы в микрокосмах [25];

- важные вопросы в стратегии жизни человеческого населения рассматриваются через призму критериев анализа городской среды, загрязнения окружающей среды [16].

Практические геологические секвестрации потребуют долгосрочного мониторинга для определения возможной утечки в атмосферу СО2. Одним их потенциальных методов мониторинга является мультиспектральное изображение отражаемости растительности для определения утечки с помощью изучения стресса у растений, вызванного СО2. Было использовано несколько спектральных характеристик для одновременной регистрации для зеленого, красного и близкого к инфракрасному изображений в режиме реального времени при определенных условиях калибровки. Результаты регрессионного анализа по группам отражений и нормализованного разностного вегетационного индекса с течением времени показывают значительную корреляцию этого показателя со степенью удаления от источника загрязнения, что свидетельствует о пригодности этого метода для контроля утечки углекислого газа [18]

Таким образом, тематически вопросы изучения высоких концентраций углекислого газа охватывают широкий спектр проблем, решение которых требует не только комплексного подхода, многоплановой диагностики, но и имеют важнейшее практическое значение. Представленный обзор обобщает данные 76 публикаций, которые были выбраны из списков 20тыс. источников современной литературы ведущих научно-исследовательских лабораторий и авторитетный издательств.

Таким образом, представлены результаты работы ученых 164 научно-исследовательских институтов и лабораторий из 27 стран: основные публикации лабораторий из стран: США (47), Китай (20), Австралия (14), Испания (11), Швеция (10), Великобритания (9); их значительно дополняют государства: Германия (8), Япония (8), Канада (7), Израиль (5), Индия (4), Италия (3), Швейцария (2), ЮАР (2), Бельгия (2), единично представлены работы стран: Франция, Греция, Словения, Малайзия, Индонезия, Ирак, Корея, Новая Зеландия, Дания, Ирландия, Чехия, Пакистан. Указанная статистика не является репрезентативной по государствам, заинтересованным в решении вопросов влияния углекислого газа на растительные организмы, способы диагностики высоких концентраций

LCOI-Reviews, No. 11, 2012

62

этого газа в окружающей среде; однако эти данные важны для тематики поставленных задач и целей обзора. Наиболее значимыми публикациями из представленных в списке выделяются те, тематика которых пересекается с климатическими эффектами – ретроспективными и прогнозными, приборами и способами, а также подходами к оцениванию утечки углекислого газа и реакции растительных сообществ на эти факторы стресса. Биологические вопросы, сопряженные с различными (преимущественно высокими или повышенными) концентрациями углекислого газа имеют разнонаправленный вектор и обсуждаются как в эволюционном, климатическом, глобально-континентальном, так и в узкоспециализированных молекулярно-генетических и структурно-физиологических вопросах на уровне одной клетки, тканей, органов, систем органов, отдельных организмов, популяций и даже гетерогенных сообществ уровня биомов. Такой подход позволил не только очертить важность проблематики, но и подобрать некоторые принципиальные возможности реализации научных программ учеными биологического факультета Донецкого национального университета.

Учитывая специфику работы научных направлений на кафедрах факультета и совместные интересы естественнонаучного блока Донецкого национального университета, перспективными и возможными для реализации являются следующие направления, касающиеся экспериментального изучения влияния высоких или повышенных концентраций углекислого газа в окружающей среде: фитоиндикационный аспект, реализация мониторингового скрининга с помощью растений, картирование и зонирование территорий, представляющих экологических риск, установление порогов чувствительности биоиндикаторов в сообществах аборигенных видов, диагностика трансформации природных ландшафтов на примере урбаногеосистем, диагностика степени пригодногости первичных ландшафтов к хозяйственной деятельности, автоматизированные системы оценки динамики меняющихся показателей фактора среды; разработка программ по изучению поведенческих стратегий растений в условиях трансформированной среды промышленного региона; проведение экологических экспертиз на территориях разного целевого назначения; оценка уровней загрязненности и степеней нарушенности экотопов с целью посильной комплексной корректировки ситуации с учетом полифакторного анализа.

При такой специфике реализации программ ученым необходимо соответственное аппаратное обеспечение на уровне хлорофилла, клеток функциональных тканей, датчиков для комплексного мониторинга, систем визуализации данных.

Список использованной литературы 1. Baldocchi D. The grass response // Nature. Vol 476, 11 August 2011, 160-162. 2. Beerling D.J. Atmospheric carbon dioxide: a driver of photosynthetic eukaryote

evolution for over a billion years? // Phil. Trans. R. Soc. B. – (2012) 367, 477-482. 3. Bergengren J.C., Waliser D.E., Yung Y.L. Ecological sensitivity: a biospheric view of

climate change // Climatic Change. (2011) 107. – 433-457. 4. Bond W.J., Midgley G.F. Carbon dioxide and the uneasy interactions of trees and

savannah grasses // Phil. Trans. R. Soc. B. – (2012) 367, 601-612. 5. Coe K.K., Belnap J., Grote E.E., Sparks J.P. Physiological ecology of desert biocrust

moss following 10 years exposure to elevated CO2: evidence for enhanced photosynthetic thermotolerance // Physiologia Plantarum 144, 2012, 346-356.

6. Doheny-Adams T., Hunt L., Franks P.J. Genetic manipulation of stomatal density influences stomatal size, plant growth and tolerance to restricted water supply across a growth carbon dioxide gradient // Phil. Trans. R. Soc. B (2012) 367, 547-555.

7. Etzold S., Ruehr N.K., Zweifel R., Dobbertin M. The Carbon Balance of Two Contrasting Mountain Forest Ecosystems in Switzerland: Similar Annual Trends, but Seasonal Differences // Ecosystems (2011) 14, 1289-1309.

LCOI-Review, No. 11, 2012

63

8. Flexas J., Ribas-Carbo´ M., Hanson D.T., Bota J., Otto B., Cifre J., McDowell N.

Tobacco aquaporin NtAQP1 is involved in mesophyll conductance to CO2 in vivo // The Plant Journal (2006) 48, 427-439.

9. Häffner E., Lomský B., Hynek V. Air pollution and lichen physiology. Physiological Responses of Different Lichens in a Transplant Experiment Following an SO2-Gradient // Water, Air, and Soil Pollution. – 131: 2001, 185-201.

10. Hu E., Tong L., Liu H. Mixed effects of CO2 concentration on photosynthesis of lettuce in a closed // Ecological Engineering 37 (2011), 2082-2086.

11. Jordan G.J. A critical framework for the assessment of biological palaeoproxies: predicting past climate and levels of atmospheric CO2 from fossil leaves // New Phytologist. (2011) 192, 29-44.

12. Kodama N., Cousins A., Tu K.P., Barbour M.M. Spatial variation in photosynthetic CO2 carbon and oxygen isotope discrimination along leaves of the monocot triticale (Triticum X Secale) relates to mesophyll conductance and the Péclet effect // doi: 10.1111/j.1365-3040.2011.02352.x. Plant, Cell and Environment (2011) 34, 1548-1562.

13. Lakkaraju V.R., Zhou X., Apple M.E., Dobeck L.M. Studying the vegetation response to simulated leakage of sequestered CO2 using spectral vegetation indices // Ecological Informatics. – 5 (2010), 379-389.

14. Leakey A.D.B., Lau J.A. Evolutionary context for understanding and manipulating plant responses to past, present and future atmospheric [CO2] // doi:10.1098/rstb.2011.0248. – Phil. Trans. R. Soc. B (2012) 367, 613-629.

15. Lindenmayer D.B., Hulvey K.B., Hobbs R.J., Colyvan M., Felton A., Possingham H., Steffen W., Youngentob K., Gibbons P. Avoiding bio-perversity from carbon sequestration solutions // Conservation Letters. 5 (2012), 28-36.

16. Manning W.J. Urban environment: Defining its nature and problems and developing strategies to overcome obstacles to sustainability and quality of life // Environmental Pollution. – 159 (2011), 1963-1964.

17. Metsaranta J.M., Dymond C.C., Kurz W.A., et al. Uncertainty of 21st century growing stocks and GHG balance of forests in British Columbia, Canada resulting from potential climate change impacts on ecosystem processes // Forest Ecology and Management. 262 (2011), 827-837.

18. Rouse J., Shaw J.A., Lawrence R.L., Lewicki J.L., et al. Multi-spectral imaging of vegetation for detecting CO2 leaking from underground // Environ. Earth Sci. (2010) 60: 313-323.

19. Rowe D.B. Green roofs as a means of pollution abatement // Environmental Pollution. 159 (2011), 2100-2110.

20. Runion G.B., Finegan H.M. Effects of Elevated Atmospheric CO2 on Non-Native Plants: Comparison of Two Important Southeastern Ornamentals // Environ. Control Biol. – Volume 49, № 3. – 2011, 107-117.

21. Saha S., Chakraborty D., Pal M., Nagarajan S. Impact of elevated CO2 on utilization of soil moisture and associated soil biophysical parameters in pigeon pea (Cajanus cajan L.) // Agriculture, Ecosystems and Environment. – 142 (2011), 213-221.

22. Ueyama M., Kai A., Ichii K., Hamotani K., Kosugi Y., Monjia N. The sensitivity of carbon sequestration to harvesting and climate conditions in a temperate cypress forest: Observations and modeling // Ecological Modelling. 222 (2011), 3216-3225.

23. Valerio M., Tomecek M.B., Lovelli S., Ziska L.H. Quantifying the effect of drought on carbon dioxide-induced changes in competition between a C3 crop (tomato) and a C4 weed (Amaranthus retroflexus) // European Weed Research, Society Weed Research. 2011, 51, 591-600.

24. Vats S.K., Kumar S., Ahuja P.S. CO2 sequestration in plants: lesson from divergent strategies // Photosynthetica. – 49 (4). – 2011, 481-496.

25. Wu Z., Koch G.W., Dijkstra P., Bowker M.A. Responses of Ecosystem Carbon Cycling to Climate Change Treatments Along an Elevation Gradient // Ecosystems (2011) 14, 1066-1080.

LCOI-Reviews, No. 11, 2012

64

ТУШЕНИЕ ГАЗОВЫХ ФАКЕЛОВ ИМПУЛЬСНЫМИ СТРУЯМИ

ЖИДКОСТИ ВЫСОКОЙ СКОРОСТИ

Семко А.Н., Бескровная М.В., Украинский Ю.Д., Виноградов С.А.*, Грицына И.Н.*

Донецкий национальный университет, Донецк, Украина * Национальный университет гражданской защиты Украины, Харьков, Украина

Проведены экспериментальные исследования тушения газового факела при помощи импульсных струй

жидкости высокой скорости, которые генерируются пороховым импульсным водометом. Скорость импульсной струи в зависимости от энергии заряда в экспериментах достигала 300 - 600 м/с. При помощи лазерного бесконтактного измерителя скорости измерялась скорость головы струи непосредственно перед факелом, проводилось фотографирование струи. Показано, что вокруг импульсной струи жидкости высокой скорости в воздухе образуется высокоскоростное облако брызг большого поперечного сечения, которое эффективно сбивает пламя газового факела на расстояниях 5 – 20 м от установки.

Введение Пожары газовых факелов являются одними из наиболее сложных видов

промышленных аварий на нефтегазовых месторождениях. При таких авариях в атмосферу выбрасывается громадное количество двуокиси углерода, оксидов углерода, азота и серы. Борьба с такими пожарами требует привлечения огромных материально-технических ресурсов и может длиться неделями. Высота горящего факела большой мощности достигает 80−100 м, интенсивность тепловыделения в таком факеле составляет несколько миллионов киловатт.

Для тушения пожаров нефтегазовых факелов разработано много различных методов [1]: закачка воды в скважину; импульсная подача огнетушащего порошка специальными установками; водяные струями из лафетных стволов; взрыв заряда ВВ; бурение наклонной скважины и закачка в нее специального раствора; комбинированный способ и т.д. На Украине и в странах СНГ при тушении пожаров газовых факелов чаще всего применяются лафетные стволы (гидромониторы), автомобили газоводяного тушения, пневматические порошковые пламеподавители [2, 3]. Каждый из перечисленных способов тушения обладает своими преимуществами и недостатками. Однако, в настоящее время не разработано универсального эффективного способа тушения газовых факелов.

Одним из наиболее распространенных способов тушения газовых факелов является применение тонкораспыленной воды. Основными действующими факторами при тушении факела тонкораспыленной водой является охлаждение горящего материала и образование локализующего очаг горения облака пара. При большой скорости струи жидкости наблюдается отрывное тушение газового факела, при котором струя мелкодисперсных брызг срывает горящий факел. Эксперименты показывают, что срыв диффузионного пламени факела происходит при скоростях 80-100 м/с.

В настоящей работе представлены некоторые экспериментальные исследования по тушению газовых факелов при помощи импульсных струй жидкости высокой скорости, которые получаются при помощи импульсного водомета. Исследования, выполненные на модельных установках, дали обнадеживающие результаты и показали перспективность этого направления.

1. Внутренняя баллистика порохового импульсного водомета Схема порохового ИВ, при помощи которого проводились экспериментальные

исследования, изображена на рис. 1 [4, 5]. Ствол 4 порохового ИВ, который заканчивается коническим соплом 6 с коллиматором 7, заполнен водой 3. Пороховой заряд 2 отделен от водяного заряда 3 пыжом 8.

LCOI-Review, No. 11, 2012

65

Для упрочнения самый

напряженный участок ствола укреплен бандажом 5, который посажен на ствол с заданным натягом. Пороховой заряд 2 в корпусе водомета зафиксирован затвором 9, внутри которого находится воспламенитель 1. В начальный момент срабатывает воспламенитель 1 и поджигает пороховой заряд 2. Пороховые газы, образующиеся при горении пороха, начинают выталкивать водяной 3 заряд через коническое сопло 6 в виде импульсной струи жидкости. Истечение струи жидкости начинается с небольшой скоростью, которая быстро возрастает по мере увеличения давления пороховых газов.

Для построения математической модели выстрела порохового ИВ делаются следующие допущения. Жидкость считается идеальной и сжимаемой, вязкостью, теплопроводностью и влиянием пыжа можно пренебречь. Профиль сопла предполагается плавным, и радиальные компоненты потока не учитываются. За начало процесса принят момент воспламенения пороха. Начало координат совпадает с входом в сопло.

В принятой постановке квазиодномерное течение идеальной сжимаемой жидкости в водомете описывается системой уравнений нестационарной газовой динамики в следующей форме

( )

( )[ ],1

,

,0

0

2

−ρρ=

=∂+ρ∂

+∂

∂ρ

=∂

∂ρ+

∂∂ρ

nBpdxdFp

xFpv

tvF

xvF

tF

(1)

где t - время; х - координата; v - скорость; ( )xF - площадь поперечного сечения проточной части - ствола и сопла; p и ρ - давление и плотность; B = 304,5 МПа, n = 7,15, ρ0 = 103 кг/м3 - постоянные в уравнении состояния воды в форме Тэта.

Начальные и граничные условия имеют вид

( ) ( ) ( ) sLxLxxpxv ≤≤−ρ=ρ== ,,0,0,0,0,0 0 ; (2) 0),( =Ltp , gggg vxtvpxtp == ),(,),( , где L и sL - длина ствола и сопла с коллиматором; gx - координата контактной поверхности;

gp и gv - давление и скорость пороховых газов на контактной поверхности. Горение пороха рассматривается в квазистационарном приближении при допущениях,

характерных для задач внутренней баллистики в артиллерии.

2. Анализ результатов расчетов Поставленная задача решалась численно. Движение жидкости в импульсном водомете

рассчитывалось методами Годунова и Родионова, а горение пороха – модифицированным методом Эйлера [6]. Ниже приведены некоторые результаты расчетов для порохового ИВ с параметрами: масса водяного заряда 450 г, диаметр сопла и струи 15 мм. На рис. 2 приведены графики зависимости скорости истечения струи и давления внутри ИВ от времени для порохового заряда массой 30 г (штатный режим работы ИВ). Кривая 1 – скорость истечения, 2 – давление пороховых газов, 3 – давление воды в стволе ИВ.

17

2 3 4 5 6

9

Рис.1. 8

LCOI-Reviews, No. 11, 2012

66

Как видно, истечение струи порохового

ИВ начинается с нулевой скорости. По мере сгорания пороха скорость истечения быстро возрастает и достигает максимального значения 685 м/с через 1,5 мс с начала выстрела. После сгорания пороха скорость истечения медленно уменьшается до 320 м/с. Истечение струи заканчивается к моменту времени outt = 5,2 мс выбросом малой порции воды пороховыми газами с более высокой скоростью.

В табл. 1 приведены результаты расчетов максимальной скорости импульсной струи порохового ИВ для разной массы пороха.

Табл. 1. Расчетная скорость струи порохового ИВ для разной массы пороха

Масса пороха, г 30 25 20 15 10 5

Максимальная скорость струи, м/с 686 600 504 405 298 178

Специфический характер зависимости скорости истечения струи ИВ от времени

(быстрое увеличение в начале истечения от нуля до максимума, а в дальнейшем уменьшение практически до нуля), определяет закономерности распространения импульсной струи. В начале истечения более быстрые частицы вытекающей из сопла ИВ жидкости пробиваются через более медленные, вытекшие ранее. В результате в струе возникает радиальное течение, которое приводит к увеличению поперечного сечения струи [7, 8]. Радиальное течение вызывает утолщение струи и образование вокруг нее ореола брызг, который движется со скоростью, незначительно меньше скорости ядра струи. В дальнейшем скорость головы струи уменьшается из-за торможения воздухом и струя распадается, прекращая свое существование.

В экспериментах скорость головы струи ИВ измерялась бесконтактным лазерным измерителем скорости на разных расстояниях от установки. Измеренные значения скорости хорошо согласуются с расчетными данными.

3. Эксперименты по тушению модельного газового факела при помощи импульсных струй жидкости высокой скорости. На рис. 3 приведена схема проведения эксперимента по тушению газового факела и

экспериментальная установка при полевых испытаниях на полигоне. Здесь 1 – пороховой ИВ, 2 – импульсная струя жидкости, 3 – газовый факел, 4 – измеритель скорости, 5 – блок лазеров, 6 – лучи лазеров.

Рис. 3.

1 2 3

5

4

6

12

3 45

Рис. 2. 0 1 2 3 4 5 t, мс

200

400

600 1

2 3

tg tout

v, м/с p, МПа

LCOI-Review, No. 11, 2012

67

В экспериментах варьировалось расстояние от ИВ до факела и величина порохового

заряда, от которого зависит скорость импульсной струи жидкости. Расстояние от установки до факела измерялось рулеткой, а прицеливание осуществлялось при помощи специального лазерного прицела, который закреплялся на стволе импульсного водомета.

На рис. 4 приведены фрагменты видеосъемки процесса тушения газового факела импульсной струей жидкости высокой скорости. Здесь 1 – импульсная струя жидкости, 2 – газовый факел, 3 – модули измерителя скорости.

На рис. 4: а), b) и c) представлены начальная, средняя и конечная стадии тушения газового факела, а на рис. d) – размеры факела. На заднем плане фотографий видна полоса из темного материала с делениями. Расстояние между большими метками равно 1 метру, а между маленькими – 0,5 м. Расстояние от установки до факела 10 м. На фотографиях так же видны модули измерителя скорости 3, установленные на расстоянии два метра друг от друга.

На первой фотографии а) струя пролетела 3,5 м. Форма струи на этот момент соответствует средней фазе распространения. Хорошо видна головная часть струи и пелена брызг в задней части, поперечное сечение которых во много раз превышает диаметр струи.

На второй фотографии b) струя пролетела около 9 м. Хорошо видна головная часть струи, которая находится на расстоянии около метра от факела. Вся струя окружена пеленой

3,5 м

d)

Рис.4.

1

2а)

b)

c)

3

LCOI-Reviews, No. 11, 2012

68

брызг, поперечные размеры которых в отдельных местах достигают 0,5 м. Головная часть струи имеет заостренную форму и интенсивно размывается воздухом.

На третьей фотографии c) струя отсекает факел от скважины и прекращает подачу горючей смеси, что приводит к тушению факела. Верхняя часть факела еще догорает, а нижняя часть сорвана импульсной струей жидкости. Скорость импульсной струи жидкости значительно превышает скорость поступления газа из скважины в зону горения факела, что способствует срыву пламени и прекращению горения факела.

Проведенные эксперименты показали, что импульсная струя жидкости порохового ИВ может тушить горящий газовый факел модели скважины на расстоянии 10 м и более. На расстоянии около 20 м от струи останется только облако брызг, которое не в состоянии погасить факел. Дальность действия установки существенно зависит от режима ее работы и конструкции. Изменяя конструкцию и режим работы, можно увеличить дальнобойность установки до 50 м и более.

Выводы Проведены экспериментальные исследования тушения модельного газового факела

при помощи импульсных струй жидкости высокой скорости, которые генерируются пороховым импульсным водометом. В экспериментах варьировалась величина порохового заряда и расстояние от установки до факела. При помощи лазерного бесконтактного измерителя скорости измерялась скорость головы струи непосредственно перед факелом, проводилось фотографирование струи. Максимальная расчетная скорость импульсной струи в зависимости от энергии заряда составляла 300 - 600 м/с, что хорошо согласуется с измеренными значения. Показано, что в процессе распространения импульсная струя жидкости высокой скорости «обдирается» воздухом и вокруг нее образуется высокоскоростное облако брызг большого поперечного сечения, которое эффективно сбивает пламя газового факела на расстояниях порядка 5 – 20 м от установки. Проведенные экспериментальные исследования подтвердили теоретические предположения о возможности тушения газовых факелов с помощью импульсных струй жидкости. Полученные скорости струи для отрыва факела соответствуют известным данным. Дальнейшие исследования должны быть направлены на определение поля скоростей по длине струи и поля плотностей по поперечному сечению струи.

Список использованной литературы 1. Виноградов С.А., Грицына И.Н. Анализ способов ликвидации пожаров

нефтегазовых фонтанов // Матеріали ХІІІ Всеукраїнської науково-практичної конференції рятувальників, 20-21 вересня 2011 р. – Київ, 2011. – С. 202-205.

2. Боевой устав противопожарной службы (утвержден приказом Председателя Комитета ГКНЧС МЧС Республики Казахстан от 27.12.05 г. № 373) 3. Михеев В.П. Газовое топливо и его сжигание. – Л.: Недра, Ленингр. отд-ние, 1966. – 327 с.

4. Семко А.Н. Импульсные струи жидкости высокого давления. – Донецк: Вебер (Донецкое отделение), 2007. – 149 с.

5. Семко А.Н. Внутренняя баллистика порохового водомета и гидропушки // Теорет. и прикл. механика. – Харьков: Основа, - 2002. - Вып. 35. – С. 181-185.

6. Решетняк В.В., Семко А.Н. Применение метода Родионова для расчета квазиодномерных движений идеальной сжимаемой жидкости // Прикладная гидромеханика. - 2009. - Т. 9 (81). № 3. - С. 56 –64.

7. Черменский Г.П. Избыточное давление в импульсной струе жидкости // ПМТФ, 1970. - № 1. – С. 174 – 176.

8. Dunne B., Cassen B. Velocity discontinuity instability of liquid jet // J. Applied Phys., Vol. 27, No 6, June 1956. – P. 577 – 582.

LCOI-Review, No. 11, 2012

69

ВИБІР КРИТЕРІЯ БЕЗПЕКИ ПРИ ВИТЯГАННІ СКЛАДОВИХ

ЧАСТИН КАПСУЛЯ МЕТОДОМ УЛЬТРАЗВУКОВОЇ ДІЇ

Стеблина М.О. Національний аерокосмічний університет ім.

М.Є. Жуковського «ХАІ», Харків, Україна

Розглянуті основні методи утилізації боєприпасів з закінченим терміном зберігання, у тому числі і унітарних патронів. Запропонований новий ультразвуковий метод утилізації капсулей-запальників. Суть методу полягає в зниженні чутливості вибухової речовини до дії тертям, ударом і наколюванням. Виведений і підрахований критерій безпеки при утилізації даним методом.

Однією з проблем промисловості України є утилізація боєприпасів із закінченим гарантійним терміном зберігання. Кількість непридатних для подальшого використання боєприпасів - сотні тисяч тонн і щорічно вона збільшується у зв’язку із закінченням терміну зберігання [1, 2].

Концепція утилізації боєприпасів побудована на ряді основних принципів таких як: комплексність переробки боєприпасів та їх компонентів; безпека ведення процесів утилізації; дані процеси повинні бути екологічно чистими; утилізація повинна здійснюватися з мінімальними економічними втратами, а при глибоких вторинних переробках одержаної сировини процеси утилізації повинні бути економічно вигідні, за винятком пеперобки окремих класів і видів боєприпасів [3].

Методи розборки та методи витягання вибухової речовини, які використовуються при утилізації боєприпасів, представлено у таблицях 2 і 3 відповідно. У таблиці 1 представлена класифікація боєприпасів. В основу класифікації, з позиції пристосованості боєприпасів до утилізації, покладено основний принцип: боєприпаси відносяться до одного класу за єдністю технологічного підходу і процесів при виконанні найбільш небезпечних операцій розспорядження.

Табл.1. Класифікація боєприпасів

№ класу Назва класу

1 Боєприпаси роздільно-шашкового спорядження 2 Боєприпаси з розривним снарядом з тротилу 3 Боєприпаси зі сумішевим розривним снарядом з плавкою компонентною не менше 20%

4 Боєприпаси зі сумішевих розривним снарядом без плавкої компоненти або з плавкою компонентою не менше 20%

5 Боєприпаси з рідкими, пластичними, еластичними вибуховими речовинами 6 Касетні, кумулятивні та інші боєприпаси

Специфіка утилізації боєприпасів полягає у можливості випадкового вибуху на будь-

якому етапі процесу зберігання, транспортування і розспорядження. Особливо гостро стоїть питання вилучення вибухових речовин при розпорядженні.

Актуальною на сьогоднішній день залишається проблема утилізації унітарних патронів, особливо капсулей-запальників, що входять до технологічної схеми спорядження патрона (рис. 1).

Проблема утилізації полягає, в першу чергу, в чутливості капсуля-запальника до невеликих початкових імпульсів (удар, тертя) після чого відбувається миттєвий спалах. Також при тривалому зберіганні компоненти капсуля змінюють свої початкові хімічні ти фізичні властивості, наприклад, під дією навколишнього середовища (якщо умови зберігання не відповідають нормам). Строк придатності капсуля-запальника при дотриманні умов зберігання складає від 1 до 6 років.

LCOI-Reviews, No. 11, 2012

70

На рис.2, 3 представлені схеми будови капсулів-запальників.

Рис. 1 Загальний вид унітарных патронів та особливості конструкції елементів спорядження

Рис.2. А-капсуль "Центробой": 1 - корпус; 2 - захисна фольга; 3 - ударний склад. Б - капсуль "Жевело": 1 - корпус; 2 - наковальня; 3 - відкритий капсуль з ударним складом.

Рис. 3. Капсуль-запальник КВ-22: 1 - захисна мембрана; 2 - корпус; 3 - наковальня; 4 - відкритий капсуль з ударним складом

А

Б

LCOI-Review, No. 11, 2012

71

Табл. 2. Методи розборки боєприпасів

Методи розборки Застосування до класів боєприпасів Гідрорізання високошвидкісним струменем 1,2,3,4,6 Розтин корпусів вибуховим способом чи піротехнічним складом. 2,3,4

Ультразвуковий спосіб розтину 1,4 Механічне різання 1,2,3,4,6 Механічне розбирання 5,6

Табл. 3. Методи витягання вибухової речовини

Методи витягання вибухових речовин Застосування до класів боєприпасів

Виплавка вибухової речовини з використанням внутрішнього обігріву гарячою водою або парою 2,6

Виплавка вибухової речовини з використанням зовнішнього обігріву гарячою водою, парою або індукційним нагрівом

1,2,3

Виплавка тротилу з використанням органічних теплоносіїв 2

Виплавка сумішевих вибухових речовин з використанням органічних теплоносіїв 2,3

Виточування зарядів технічним методом Заряди класів 1-4 простої геометричної форми

Вимивання заряду струменем високого тиску 2,3,4 Імпульсний метод Контрольоване спалювання Механічне витягання 5,6

Капсуль-запальник, наприклад, «Жевело М» або ЦБО складається з гримучої ртуті, як

основної речовини, бертолетової солі (що підвищує температуру полум'я) і антимонія (підвищує температуру полум'я і чутливість складу).

При тривалому зберіганні гримуча ртуть реагує з міддю і утворює фульминат міді. Фульминат міді у декілька разів підвищує чутливість капсуля до початкового імпульсу, а саме до тертя [4].

Зважаючи на вищевикладене, можна зробити висновок, що всі існуючі екологічні і ресурсозберігаючі методи не можливо застосовувати для утилізації капсулів-запальників (критерій безпеки >1).

Це завдання можливо вирішити методом ультразвукової дії на капсуль-запальник. Суть методу полягає в знаходженні необхідної інтенсивності ультразвукового випромінювання, достатнього для поступового руйнування енергій зв'язку молекул вибухової речовини в утилізованому об'єкті.

В результаті настає зниження чутливості вибухової речовини до початкового імпульсу. Подальший етап розспорядження − вилучення вибухової речовини з оболонки капсуля. На останньому етапі вилучена вибухова речовина утилізується хімічним методом після чого може використовуватися вторинно [5,6].

Потенційну небезпеку, яка може виникнути при витяганні вмісту капсуля патрона, можна описати наступною залежністю:

( )onppi PPTSfP ,,,= (1)

LCOI-Reviews, No. 11, 2012

72

де Pі – вірогідність настання небезпеки; Sp – сфера походження; Tp – час прояву; Pn –

природа матеріального носія; Pо – наслідки від реалізації небезпеки. За сферою походження потенційна небезпека має техногенний характер. За часом

проявлення (Tp) вона відноситься до імпульсних, тобто небезпека реалізується миттєво або за короткий проміжок часу.

Небезпечним чинником при витяганні вмісту з капсуля є зусилля, яке може привести до ініціації капсуля [7].

Головною умовою для розробки подальшої установки для демонтажу капсулів унітарних патронів є дотримання наступного критерію безпеки. При розбиранні капсуля унітарного патрона існує вірогідність його ініціації в результаті ударних навантажень.

Тоді критерій безпеки для вибору зусилля витягання вмісту капсуля:

1≤=вив

інБ P

РK (2)

де Pін – зусилля ініціації капсуля; Pвив – зусилля, необхідне для витягання вмісту

капсуля. На рис. 4 представлена логіко-імітаційна модель ініціації капсуля при процесі

витягання його вмісту.

Рис. 4. Логіко-імітаційна модель ініціації капсуля при процесі витягання його вмісту (дерево причин і наслідків)

При невиконанні даної умови може статися ініціювання капсуля. Шкода для здоров'я людини від дії небезпечного чинника визначається дозою дії

небезпеки: tPV ⋅= (3)

де Р – інтенсивність дії небезпечного чинника; t – час дії небезпечного чинника. Можливість ініціації капсуля можна записати таким чином:

Р5 = Р1·Р2; Р6 = Р3·Р4; Р7 = Р5+Р6 = Р1·Р2 + Р3·Р4

432 1

Ініціація капсуля

І

Статика Ударні навантаження

Порушення складу капсуля

Негерметичність капсуля

Одночасна подача «Наколювання»

одного капсуля на іншій

І

або

5 6

7

LCOI-Review, No. 11, 2012

73

Вірогідність безвідмовної роботи залежить від часу експлуатації установки t і

визначається: P1(t) =exp (-t/λ1) (4)

де λ1 – середній час роботи установки демонтажу до першої відмови. Вірогідність безаварійної роботи визначається:

P2(t) =exp (-t/λ2) (5) де λ2 – середній час безаварійної роботи установки демонтажу. Між λ1 та λ2 існує залежність:

λ2 = λ1 /(1-ε) (6)

ε – частина відмов установки, які можливо блокувати, не допускаючи їх накопичення. Підставляючи (6) в (5) отримуємо:

( )[ ] ελε −=−−= 1112 /1exp)( PttP (7)

Якщо приймається вірогідність безвідмовної роботи P1 = 0,99, то вірогідність

безаварійної роботи P2 при ε = 0,99 дорівнює 0,99. Звідси вірогідність аварії складає: P3 = 1- P 2≈ 10-4.

Висновок Запропонован критерій безпеки для проведення процесу утилізаціїї боєприпасів з

закінченим терміном зберігання (унітарних патронів) при демонтажу складових частин , а саме капсулів-запальників.

Список використаної літератури

1. Орчинський В., Гаврилюк Д. Запаси для безпеки стають небезпекою // Надзвичайна ситуація. – 2010. – №1. – С. 20. 2. Бубон Л. Утилізація боєприпасів.Проблеми, помилки та шляхи їх вирішення. // Надзвичайна ситуація. – 2008. – №3. – С. 26. 3. Взрывоопасные объекты: методы и средства поиска, обнаружения, обезвреживания и утилизации. – М.: Изд-во АСВ, 2002. – 319 с. 4. Куксинский П. Инициирующие ВВ. – М.,1934. – 305 с. 5. Каневский И.Н. Фокусирование звуковых и ультразвуковых волн. – М.: Изд-во «Наука», 1977. – 336 с. 6. Шутилов В.А. Основы физики ультразвука. – Л.: Изд-во ЛГУ, 1980. – 280 с. 7. Зорич С.Д. Техника безопасности в капсюльном производстве. – М.-Л., 1939. – 171 с.

LCOI-Reviews, No. 11, 2012

74

ПЕРСПЕКТИВИ РОЗВИТКУ АГРОСФЕРИ УКРАЇНИ

НА НИЗЬКО-ВУГЛЕЦЕВІЙ ОСНОВІ

Тараріко Ю.О., Козаченко О.А. Інститут водних проблем і меліорації

Національної академії аграрних наук України, Київ, Україна На основі оцінки галузевої структури сільськогосподарського комплексу площею 20 тис. га

опрацьовано перспективні сценарії його розвитку. Показано, що комплексне використання сучасних технологічних можливостей і створення ланцюгів безвідходних виробничих циклів дає змогу оптимально розподілити органічний вуглець рослинної біомаси між продовольством, енергоносіями і ґрунтом з супутнім переходом до біоорганічної системи землеробства. Формування аграрних виробничих систем на біоенергетичній основі дає змогу реалізувати агроресурсний потенціал сільськогосподарських територій, підвищити енергетичну незалежність і продовольчу безпеку держави.

Результати аналітичних досліджень останніх років показали реальну можливість

загострення глобальної енергетичної кризи з моменту безповоротного неконтрольованого зниження видобутку викопного пального. Єдиний шлях упередження всесвітнього голоду – сплановане і стрімке обмеження використання нафти і газу, що зумовлює необхідність фундаментальної перебудови світової системи сільськогосподарського виробництва, незалежного від непоновлюваних джерел енергії [1,2].

В Україні нафта і газ у загальному балансі первинної енергії перевищують 60% усіх енергетичних ресурсів, що споживаються. В сучасних умовах забезпечення держави власним природним газом і нафтою в повному обсязі неможливе. Видобуток газу за рік становить 20 млрд. м3 за потреби 50-55, нафти і газового конденсату - майже 4, за щорічного використання не менше 24 млн. т [3].

Водночас аграрний сектор України має великий потенціал біомаси, як сировини для виробництва біоенергетичних ресурсів та продовольства. Що нажаль не використовується в повній мірі, так частка споживання населенням України м’яса у 3 рази, а молокопродуктів у 2,5 рази нижча порівняно з розвинутими країнами світу [4]. У зв’язку з цим, важливим завданням є пошук способів ведення сільськогосподарської діяльності в напрямі оптимального поєднання виробництва біоенергії і продовольства при одночасному збереженні земельних ресурсів від деградації.

З цією метою здійснено аналіз перспективних сценаріїв ведення аграрного виробництва на прикладі одного з сільськогосподарських комплексів площею 20 тис. га ( гро . 1). Моделювання проводилося з урахуванням сучасних технологічних можливостей отримання біогазу, біогумусу, рідкого біопального, модульних технологій зберігання і переробки сировини та сучасних інформаційних технологій.

Табл. 1. Моделі аграрного виробництва

Пріоритет виробництва

Побічне виробництво

Продуктивність Основний зміст

2. Енергетична сировина (ріпак) 2т/га

сучасна практика з пріоритетом вирощування енергетичної сировини з її відчуженням за межі гро екосистеми без відновлення родючості ґрунту

2. Енергоносії біодизель

біогаз біогумус*

0,8 т/га 1,9 тис. м3/га

6,4 т/га

вирощування і переробка енергетичної сировини на рідке біопальне на прикладі біодизелю, а шроту і соломи на біогаз і біогумус

LCOI-Review, No. 11, 2012

75

3. Продовольство рослинництва

біогаз біодизель біогумус

0,5 т/га 2,3 тис. м3/га

0,2 т/га 8,0 т/га

сівозміна з кращими попередниками, переробка зерна на продовольство рослинництва, енергетичної сировини на біодизель, а шроту, зерновідходів, зеленої маси кукурудзи і трав на біогаз та біогумус

4. Продовольство тваринництва

біогаз біодизель біогумус

0,5 т/га 1,4 тис.м3/га

0,2 т/га 4,8 т/га

трансформація шроту, зерна і зеленої маси кукурудзи і трав в м'ясо-молочне продовольство, біодизель на власні потреби, отримання з гною та інших відходів біогазу і біогумусу

5.Біоенергетичне аграрне виробництво

продовольство біоенергія біогумус

0,7 т/га 90 ГДж/га**

7,2 т/га

збалансоване високопродуктивне виробництво продовольства і біоенергії у зрошуваних агроекосистемах, що динамічно розвиваються

1 – деструктивний розвиток; 2-5 - біоорганічне землеробство із замкнутим циклом макро і мікроелементів

* знезаражений від шкодочинних організмів і звільнений від насіння бур’янів залишок органічної речовини після газогенерації, що не розкладається метановими бактеріями і містить усі винесені з грунту макро- і мікроелементи.

** 90 ГДж = 2,1 т дизельного пального = 2,5 тис. м3 метану

Особливості моделі «Енергетична сировина» можна розглядати з двох точок зору. З позицій виробника це найпростіший технологічний цикл з одержанням продукції з мінімальними зусиллями. У сівозміні тільки енергетичні культури, значна частина прибутку формується за рахунок експлуатації ґрунтової родючості, система цілком залежить від зовнішніх ресурсів і спрямована на задоволення негайних інтересів виробника.

З позицій імпортерів - вартість завезених з сировиною макро- і мікроелементів в перерахунку на добрива становить не менше 20% вихідних витрат на придбання сировини, вартість рідкого біопального компенсує вихідні затрати, прибуток від продуктів тваринництва, що можна отримати з шроту значно перевищує вартість сировини, а сумарний дохід від переробленої продукції майже у тричі більший витрат на закупівлю зерна.

За такої практики рівень використання агроресурсного потенціалу низький, втрачається родючість ґрунту, агроекосистема розвивається деструктивно, а цей напрям можна вважати безперспективним.

До особливостей моделі «Енергоносії» також відноситься пріоритет вирощування енергетичних культур, але зібрану сировину передбачається використовувати для одержання енергоносіїв, зокрема рідкого біопального. У свою чергу шрот і солому доцільно переробити на біогаз і біогумус, для чого додатково необхідні елеватор для зберігання сировини, установки для виробництва біодизелю і біогазу, інфраструктура для його використання та сховища для зберігання органічних добрив. Забезпечується замкнутий цикл макро і мікроелементів, але при цьому кількість органічного вуглецю для відновлення гумусного стану ґрунту недостатня.

Головна особливість моделі - високий рівень енергогенерації, але без виробництва продовольства.

Сценарій «Продовольство рослинництва» відрізняється переходом до оптимального чергування культур у сівозміні. За відсутності тваринництва зелену масу переробляють на біогаз, що і дає змогу забезпечити кращі попередники для продовольчих зернових і енергетичних культур з оптимальною періодичністю їх повернення на попереднє місце вирощування. Додатково необхідні сховища для силосу з соломи, зеленої маси кукурудзи і багаторічних бобових трав, а також обладнання для виробництва рослинного продовольства.

LCOI-Reviews, No. 11, 2012

76

За достатньої для досягнення бездефіцитного балансу гумусу кількості органічних

добрив, майже повної рециркуляції біогенних елементів та наявності у сівозміні бобових багаторічних трав з додатковим накопиченням 50-60 кг/га сівозміни біологічного азоту забезпечується розширене відтворення родючості ґрунту.

В результаті досягається цілковита енергетична незалежність агроекосистеми, але асортимент продовольства обмежений продукцією рослинництва.

Пріоритет «Продовольство тваринництва» з аналогічною попередній структурою рослинництва, але всю отриману біомасу, за винятком біопального, використовують на корм і підстилку тваринам. При цьому формується ще більш складна агроекосистема з тваринницькою галуззю і комплексною переробкою всієї сировини до кінцевої продукції. Необхідність оцінки доцільності формування такої галузевої структури пов’язана з тим, що сукупність шроту, зерна, біомаси кукурудзи і трав є оптимально збалансованою кормовою базою для утримання сільськогосподарських тварин з навантаженням 100 у.г. на 100 га ріллі з трансформацією гною та інших відходів у біогаз і біогумус.

За такої виробничої структури одночасно вирішується низка завдань: відновлюється родючість ґрунту, агротехнологічні процеси в рослинництві забезпечуються власним дешевим пальним, за рахунок біогазу задовольняються енергетичні потреби населення, тваринництва, переробки й зберігання з отриманням найбільш цінного тваринного продовольства.

При цьому потенціал ґрунтової родючості зберігається на засадах біоорганічного землеробства з мінімальним застосуванням агрохімікатів. Обсяги застосування промислових мінеральних добрив зменшуються за рахунок біоазоту (25% багаторічних бобових трав в структурі посівних площ) та багаторазового використання макро і мікроелементів у замкнутому циклі з біогумусом, а пестицидів - шляхом дотримання оптимального чергування культур у сівозміні та систематичного знезараження усіх відходів у процесі газогенерації. Створення різногалузевої інфраструктури виробництва спрощується завдяки сучасному модульному устаткуванню і обладнанню різної потужності зі зберігання і переробки сировини з можливістю поетапного нарощування обсягів виробництва продукції щодо специфіки конкретних умов. При цьому капітальні вкладення в основні фонди, навіть при залученні дорогих кредитних ресурсів, відносно швидко повертаються через скорочення обсягів застосування обігових засобів, зокрема енергоносіїв і агрохімікатів.

В результаті цього забезпечується досягнення високого рівня ресурсної незалежності, виробництво великої кількості найбільш цінних продуктів тваринництва з супутнім переходом до біоорганічних систем землеробства.

Навіть за оптимальних параметрів родючості ґрунту врожайність культур залежить від особливостей агрометеорологічних умов року. Наприклад, у північному Степу врожайність озимої пшениці дуже нестабільна і навіть після чорного пару за роками коливається у межах від 15 до 70 ц/га. Навіть на Поліссі до 10% років є несприятливими через недостатнє забезпечення посівів вологою. У Південному Степу частка таких років сягає 60%. При чому за зрошення коефіцієнт варіації продуктивності типової зернокормової сівозміни порівняно з богарою скорочується з 44 до 19% [8]. Тому стабільно високого виходу продукції рослинництва досягають за оптимізації водного режиму на меліорованих землях, площа яких становить біля 6 млн. га.

У зв’язку з цим розглядається сценарій «Біоенергетичне аграрне виробництво», що моделює найскладнішу виробничу систему з тваринництвом, комплексною переробкою і зрошенням. Досягається збалансоване виробництво великих обсягів енергоносіїв і найбільш цінних продуктів харчування. При цьому оптимізація водного режиму, надходження у грунт достатньої кількості органічної речовини, замкнуті цикли макро й мікроелементів за освоєння сівозмін із часткою бобових багаторічних трав до 25% та фіксацією 60-70 кг/га сівозмінної площі біологічного азоту дає змогу перейти до стабільно високопродуктивного біоорганічного зрошувального землеробства.

LCOI-Review, No. 11, 2012

77

За такого сценарію агроресурсний потенціал використовується максимально, а

агроекосистему можна розглядати як таку, що динамічно розвивається з поетапним переходом на більш високі енергетичні рівні. Накопичення великої кількості органічних добрив і біоазоту супроводжується формуванням більш потужних потоків рециркуляціі макро і мікроелементів, створенням сприятливих фітосанітарних умов, підвищенням продуктивності сівозмін, тваринництва і агроекосистеми у цілому з накопиченням ще більших обсягів органічних відходів і біологічного азоту.

Сільськогосподарські угіддя у земельному фонді займають 42,3 млн. га. З них близько половини можна віднести до малопродуктивних, деградованих або забруднених. Тому економічну оцінку моделей в масштабі України проводили на площу 20 млн. га найбільш родючих земель.

Табл. 2. Економічна ефективність моделей в масштабі України (20 млн. га), млрд. у.о

Дохід від реалізації продукції Витрати Валовий прибуток до після Модель

насіння ріпаку біодизель борошно

м’ясо молочні продукти

метан разом Вироб-ничі

Ком пен-сація виносу NPK з ґрунту

на кредит разом погашення кредиту**

«Енергетична сировина»

15,0 (40,0)* - - - - 15,0 3,7 2,5 3,3 9,5 5,5 8,8

«Енергоносії» - 14,0

(16,0) - - 9,3 (37,3) 23,3 3,8 - 3,6 7,4 16,0 19,6

«Продово-льство рослинництва»

- 3,5 (4,0)

4,4 (10,0) - 11,5

(46,0) 19,4 5,3 - 4,4 9,7 9,7 14,1

«Продово-льство тваринництва»

- 3,5 (4,0) - 54,6

(10,0) 7,0

(28,0) 65,1 16,3 - 19,9 36,2 29,3 49,2

«Біоенерге-тичне аграрне виробництво»

- 6,1 (7,0) - 74,9

(13,6) 10,5

(42,0) 91,5 23,4 - 28,9 52,3 39,1 68,5

* у дужках виробництво продукції, млн. т (метан, млрд. м3); ** кредит на створення інфраструктури на 10-річний період зі ставкою 26% За щорічної потреби АПК в нафтопродуктах у 2,5 млн. т, потенціал виробництва

рідкого біопального по моделях коливається від 4 до 16 млн. т (табл. 2). Одночасно можна додатково отримати від 28 до 46 млрд. м3 газу метану. За розвитку тваринництва виробництво молоко і м’ясопродуктів може досягти 10 млн. т, а за умови раціонального використання меліорованих територій цей показник зросте майже до 14 млн. т. При цьому загальна вартість продукції збільшується по моделях з 15 до 92 млрд. у.о. із значною перевагою продовольства над біоенергоносіями. Витрати також істотно зростають по мірі ускладнення галузевої структури виробництва (див. табл. 2). Так, сума капітальних вкладень складає по моделях відповідно 15,3, 16,5, 20,1, 91,7 та 133,2 млрд. у.о. Однак, навіть у період виконання кредитних зобов’язань досягається досить висока економічна ефективність.

Зрозуміло, що йдеться про гіпотетичні моделі, але вони будуються на конкретних результатах довгострокових досліджень і розкривають потенціал сільськогосподарського виробництва у забезпеченні продовольчої безпеки і енергетичної незалежності держави, а одержані результати є підставою для обґрунтування відновлення і цільового використання усіх земель сільськогосподарського призначення.

Проблема також полягає в тому, що розвиток АПК на біоенергетичній основі необхідно здійснювати через велику кількість окремих господарських формувань. Існує безліч варіантів їх функціонування, а пошук близької до оптимальної галузевої структури ґрунтується на багатоваріантному моделюванні щодо специфіки конкретних умов. Це складний процес, що прискорюється за використання сучасних інформаційних технологій.

LCOI-Reviews, No. 11, 2012

78

Комп’ютерне моделювання дає змогу оперативно опрацьовувати велику кількість

перспективних сценаріїв розвитку, прогнозувати наслідки управлінських рішень ще до їх реалізації у виробничих системах, для яких натурний експеримент може призвести до великих втрат або навіть загибелі. Перевага моделювання полягає в тому, що користувач шляхом зміни одного з виробничих параметрів може оцінювати коливання інших. У процесі такого моделювання можна віднайти найбільш прийнятний і збалансований варіант розвитку аграрного підприємства.

Однак формування біоенергетичного, екологічно збалансованого аграрного виробництва не відбудеться самостійно. Масштабну та цілеспрямовану переорієнтацію АПК можна здійснити через державну політику та шляхом створення експериментальних виробничих комплексів для визначення їх ефективності та перепідготовки кадрів.

Висновки. Сучасні технологічні можливості дають змогу реалізувати біоенергетичний потенціал

АПК: 0,5-0,7 т/га (10-14 млн. т) продовольства тваринництва, 0,2-0,4 т/га (4-8 млн.т) рідкого пального та 1,4-2,3 тис. м3/га (30-45 млрд. м3) газу метану.

Оптимізація галузевої структури з комплексною переробкою сировини і відходів до готових продуктів дає змогу відчужувати за межі агроекосистем тільки складові повітря: вуглець, азот, кисень і водень у складі вуглеводів, жирів, білків і вуглеводнів при цьому викиди парникових газів, в порівнянні з поширеною рослинницькою спеціалізацією, скоротяться на 6-8 т/га.

Розширення замкнутого циклу біогенних елементів, активізація азотфіксації, позитивний баланс органічної речовини, її знезараження та освоєння сівозмін супроводжується переходом на біоорганічне землеробство з обмеженим застосуванням агрохімікатів та систематичним збільшенням виробництва енергії і продовольства без додаткових витрат не поновлювані ресурси.

Перехід на біоенергетичне аграрне виробництво сприятиме покращенню стану довкілля та гармонізації життя сільського населення, зокрема за відтворення та раціонально використання усіх земель сільськогосподарського призначення.

Список використаної літератури 1. Heinberg R. Blackout: Coal, Climate, and the Last Energy Crisis (2009). –

Пономаренко В. Проблема 2033. 2. Діяк І. Енергетична безпека держави: найближчі кроки. "Голос України" № 0610,

06.10.2005. 3. Губенко В.І. Стан і проблеми забезпечення розвитку виробництва та експорту продукції АПК в умовах СОТ // Економіка АПК. – 2008. – № 5. – С. 70–73. 4. Нормативи ґрунтозахисних контурно-меліоративних систем землеробства. – К.: 1998. – С. 44.

5. Горкавый Ф.Л. Технология содержания молочных коров. – Елгава. – 1980. – 109 с. 6. Справочник по удобрениям. – М.: “Колос”. – 1964. – С 93-122.

7. Біоенергетичні зрошувані агроекосистеми. – К.: ДІА. – 2010. – С. 19.

LCOI-Review, No. 11, 2012

79

СНИЖЕНИЕ ВЫБРОСОВ УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА ИЗ ДУГОВОЙ

СТАЛЕПЛАВИЛЬНОЙ ПЕЧИ НА ОСНОВЕ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ СИСТЕМЫ ГАЗОУДАЛЕНИЯ

Тимошенко Н.С., Семко А.Н., Тимошенко С.Н.

Донецкий национальный университет, Донецк, Украина В работе исследуются особенности формирования и физико-химические параметры пылегазовой среды

в рабочем пространства электродуговых сталеплавильных печей. Для снижения интенсивности выноса пыли, СО2 и других технологических газов из печи предложена конструкция вытяжного газохода с равномерным отбором газа. С использованием пакета прикладных программ CosmosFloWorks в среде SolidWorks выполнено численное моделирование усовершенствованной системы газоудаления современной 120-т дуговой печи, показывающее снижение выбросов углекислого газа из печи на 2,5 кг/т стали.

Введение Донецкая область является крупнейшим промышленным центром Украины, и в то же

время, поставляет около трети загрязняющих веществ страны. В структуре вредных выбросов преобладает оксид углерода, на долю которого приходится почти 28,8% всех выбросов, сернистый ангидрид (диоксид серы) – 21,3%, пыль – 15% и лёгкие органические соединения – 13%. В данной работе рассматривается загрязнение атмосферы металлургическим комплексом, который особенно активно представлен в Донецком регионе. И хотя по выбросам углекислого газа металлургия не занимает первое место, все же свой вклад в загрязнение атмосферы парниковыми газами она вносит.

В работе рассматривается производство металла в дуговых сталеплавильных печах (ДСП), которые на данный момент выплавляют около 40% всей производимой в мире стали, уступая только конвертерному процессу. В Украине доля ДСП в общем сталеплавильном производстве не так велика, но она с каждым годом растет. Современная технология плавки в ДСП сопровождается выделением из печи до 100…270 м3/час (при нормальных условиях) технологических газов на тонну стали [1]. Состав газов изменяется по ходу плавки и представлен, в основном, азотом, кислородом, оксидом и диоксидом углерода, парами воды.

В работе [2] исследовали интенсивность образования, химический состав и температуру технологических газов на выходе из 130-т (ДСП). Объемный расход технологических газов в среднем за цикл плавки (70 мин.) находится в пределах 12-20 тыс. м3/час (при нормальных условиях), достигая пиковых значений около 35 тыс. м3/час. Температура газов изменяется от 900-1400°С в период плавления до 1600-1700°С в жидкий период, когда ванну продувают кислородом. Химический состав газовой смеси существенно меняется по ходу плавки. Основными компонентами являются азот, оксид углерода, диоксид углерода, кислород, водяной пар. В период плавления преобладают N2 (более 50%), CO2 (до 30%), и водяной пар (до 20%), а в жидкий период плавки - N2, СО (до 40%), CO2 (до 30%). Кислород в количестве до 4-7% присутствует во все периоды плавки. Содержание пыли в отходящих газах ДСП, по данным [1] находится в пределах 20-60 г/м3 газа или 5-22 кг/т стали. Химический состав пыли представлен оксидами железа, кальция кремния и алюминия (80-90%), другими соединениями, в частности оксидами цветных металлов, а также частицами углерода.

Постановка задачи Традиционные схемы газоудаления [1] устроены таким образом, что вблизи

вытяжного патрубка скорость удаляемых газов большая, а на противоположной стороне очень маленькая. Такой неравномерный отсос печных газов приводит к достаточно большой потере металла при плавке (в виде взвешенных частичек пыли) и быстрой изнашиваемости фильтров.

LCOI-Reviews, No. 11, 2012

80

Недостаточная интенсивность газоудаления существенно увеличивает количество

вторичных выбросов. В то же время, по мере усиления средств пылегазоотсоса увеличиваются скорости газовых потоков в объеме печи, что, в свою очередь, отрицательно влияет на угар металла и электродов. Выбор оптимального режима отсоса газов представляет собой актуальную задачу, решение которой позволит повысить энергоэффективность работы ДСП и сократить интенсивность выноса пылегазовой среды из рабочего пространства, уменьшить угар электродов, и таким образом, косвенно, обеспечить уменьшение образования и выбросов СО2.

Анализ проблемы Данные по выбросам диоксида углерода при выплавке стали в ДСП существенно

разнятся. Так, согласно [1], они составляют около 580 кг/т стали при традиционной для данных агрегатов технологии плавки на шихте из 100% металлолома, а при использовании жидкого чугуна и металлолома в равном соотношении – возрастают до 1700 кг/т. По данным [3] выбросы СО2 при традиционной технологии плавки в ДСП не превышают 100кг/т стали.

В связи с существенным расхождением данных о выбросах СО2 дадим оценку этого параметра исходя из основных положений современной интенсивной технологии. СО2 в ДСП образуется, главным образом, в результате следующих процессов.

1. Окисление углерода, входящего в состав шихтовых материалов, кислородом, подаваемым через специальные продувочные фурмы. Технологическими инструкциями регламентируется окисление в среднем 0,75% углерода для интенсивного «прокипания» жидкой ванны выделяющимся газообразным продуктом и ускорения тем самым физико-химических процессов в ней. В условиях высоких температур (1600-16500С) и наличия твердого углерода, его окисление протекает по реакции С+0,5О2=СО, которая является комбинацией реакций С+О2=СО2 и СО2+С=2СО. За пределами ДСП (и частично в печи) производят дожигание СО по реакции СО+0,5О2=СО2 с целью недопущения его попадания в атмосферу (ПДК СО ограничен в рабочей зоне величиной 25 мг/м3), а также для получения дополнительного химического тепла, которое можно использовать для подогрева шихты или выработки энергоносителя – водяного пара. В конечном счете, приведенные выше реакции сводятся к одной:

С+О2=СО2, (1)

согласно стехиометрии которой, на тонну стали образуется 27,5 кг СО2. 2. Окисление углеродсодержащего материала, инжектируемого в жидкий период

плавки в сталеплавильную ванну в виде порошка в среднем количестве 12 кг/т для выработки дополнительного к электроэнергии экзотермического тепла, а также для вспенивания шлака выделяющейся газовой фазой с целью экранирования электрических дуг и более эффективного использования их энергии на нагрев ванны. Этот процесс также описывается суммарной реакцией (1) и дает 44 кг СО2 на тонну стали.

3. Использование газокислородных горелок на начальном этапе плавления как альтернативного источника энергии для интенсификации плавки. В среднем удельный расход природного газа составляет 7 м3/т стали, что по стехиометрии реакции полного сгорания газа (в нем не менее 95% метана) СН4+2О2=СО2+2Н2О дает 13,75 кг СО2 на тонну стали.

4. Окисление (угар) графитированных электродов печи, который составляет в среднем 2,5 кг/т стали, также описывается суммарной реакцией (1) и дает 9,2 кг СО2 на тонну стали. Данный процесс обусловлен, в основном, подсосами атмосферного воздуха через рабочее окно печи.

Общая оценка выхода СО2 в ДСП, как сумма перечисленных составляющих, оценка которых выполнена в результате анализа технологии, равна 95 кг/т стали.

LCOI-Review, No. 11, 2012

81

Одним из путей снижения выбросов диоксида углерода, не связанным с изменением технологии плавки, является уменьшение подсосов воздуха в печь. Следствием этого, в частности, будет снижение угара графитированных электродов – одного из источников выбросов диоксида углерода.

В работе [4] рассматривается возможность снижения выноса пыли и оксидов углерода (СО и СО2) из электродуговой сталеплавильной печи с применением оптимального режима газоотсоса. Способ предполагает изменение конструкции свода печи с целью превращения его в вытяжной воздуховод, всасывающий технологические газы не всей поверхностью, а через щели различной площади. Соответствующий таким требованиям воздуховод имеет тороидальную форму и располагается под сводом печи.

Данная работа направлена на оценку возможности применения разработанной математической модели на реальной ДСП. Предложено новое конструктивное решение по газоудалению (рис. 1а) в котором, в отличие от традиционной схемы (рис. 1б), используют кольцевой вытяжной газоход 1 с переменной по полупериметру (ввиду симметрии газовых потоков) шириной щелей, установленный в верхней камере 2 свода 3. Параметры щелей 4 рассчитывают на основе математической модели из условия равномерного притока технологических газов по периметру газохода: площадь щелей увеличивается с ростом их углового положения (0…1800) относительно продольной оси газоотводящего патрубка 5.

Предлагаемое решение направлено на уменьшение потерь энергии с технологическими пылегазовыми выбросами, которые составляют не менее 15% вводимой в ДСП энергии. Одним из факторов решения данной задачи является уменьшение подсосов атмосферного воздуха в печь через ее рабочее окно.

Результаты исследований Проверка технической эффективности предложенного решения системы газоудаления

ДСП проведена с помощью пакета прикладных программ CosmosFloWorks в среде SolidWorks. Расчет выполняли численно на основе уравнений Навье-Стокса (2) и неразрывности (3) с использованием ε−k модели турбулентности.

Fwpwww +∇⋅+∇⋅−=⋅∇+∂∂ rrrr

21)( ηρτ

, (2)

0=wdiv r , (3)

где ρ - плотность, w - скорость, p - давление, τ- время, F - объемная плотность сил, η - динамическая вязкость.

Граничными условиями задачи являются (рис. 1): разрежение 100 Па на грани 6 газоотводящего патрубка; нормальные (по давлению и температуре) условия в рабочем окне 7 печи; объемный расход газа из ванны 8 (выход СО при продувке ванны жидкой стали кислородом с инжекцией углеродсодержащего порошка) 2,2 м3/с при температуре 1850 К; «реальная» стенка - на остальных границах флюидного тела. Размеры печи соответствуют промышленной 100..120т ДСП и приняты одинаковыми для вариантов а) и б): диаметр ванны D = 5500 мм; высота рабочего пространства Н = 0,6D; диаметр электрода d = 600 мм, диаметр распада электродов dр = 1250 мм; размеры рабочего окна 700х600 мм; сечение газоотводящего патрубка 1500х750 мм.

Задачей расчета было получение поля скоростей газовой среды в печи для вариантов системы газоудаления а) и б) в сопоставимых условиях и его анализ, в частности оценка притока воздуха в рабочее окно.

На рис. 2 приведены траектории движения газового потока в рабочем пространстве ДСП.

LCOI-Reviews, No. 11, 2012

82

Рис. 1. Система газоудаления с верхней камерой и вытяжным газоходом (а) и

традиционная система газоудаления ДСП (б). Обозначения приведены в тексте. Стрелкой показано направление отсоса газов

Рис.2. Траектории движения газовых потоков в ДСП с предложенной системой

газоудаления (а) и традиционной системой газоудаления (б). Визуализация траекторий позволяет судить о менее интенсивном характере движения

газов в печи, оборудованной предложенной системой газоудаления (вариант а), в сравнении с традиционной (вариант б). Это, по-видимому, связано с разделением одного мощного вихря в печи при традиционной схеме на два менее мощных вихря и торможением потока в кольцевом вытяжном газоходе усовершенствованной системы.

Выполнена оценка притока воздуха в рабочее окно ДСП (оно открыто около половины цикла плавки в связи с работой манипулятора для продувки ванны кислородом, отбором проб и замерами температуры) для рассматриваемых систем газоудаления.

LCOI-Review, No. 11, 2012

83

На рис. 3 приведены расчетные

кривые распределения скорости подсасываемого воздуха по диагонали рабочего окна печи, полученные в результате решения задачи в пакете CosmosFloWorks. Как видно из приведенных данных, использование вытяжного газохода с расчетными параметрами позволяет снизить среднюю скорость притока воздуха в рабочее окно ДСП с 11,2 до 8,2 м/с, а, следовательно, и уменьшить на 27% подсосы воздуха в сравнении с традиционной системой газоудаления. При этом следует ожидать соответствующее снижение расхода графитированных электродов, что повлечет уменьшение выбросов из печи диоксида углерода на 2,5 кг/т стали.

Выводы На основе уравнений гидродинамики разработана математическая модель,

позволяющая по заданным геометрическим и технологическим параметрам выполнить расчет усовершенствованной системы газоудаления, обеспечивающей повышение энергоэффективности процесса выплавки стали.

Сопоставительный численный расчет течения газовой среды для случаев усовершенствованной и традиционной систем газоудаления применительно к современной 120-т ДСП, выполнен с помощью пакета прикладных программ CosmosFloWorks в среде SolidWorks. Расчеты показали возможность снижения на 27% подсосов воздуха в печь в сравнении с традиционной системой газоудаления, что дает основание рассчитывать на снижение выбросов диоксида углерода из печи на 2,5 кг/т стали.

Список использованной литературы 1. Тулуевский Ю.Н. Инновации для дуговых сталеплавильных печей. Научные

основы выбора: Монография / Ю.Н. Тулуевский, И.Ю. Зиннуров. – Новосибирск: изд-во НГТУ, 2010. – 347 с.

2. Kuhn R. Continuous off-gas measurement and energy balance in electric arc steelmaking/ R.Kuhn, H.Geck, K.Schwerdtfeger. - ISIJ International, Vol.25 (2005), No.11, pp.1587-1596.

3. Thomson M.J., Evenson E.J., Kempe M.J., and Goodfellow H.D. Control of greenhouse gas emissions from electric arc furnace steelmaking: evaluation methodology with case studies // Ironmaking and Steelmaking, 2000, Vol 27, No 4, p. 273.

4. Моделирование вытяжного воздуховода для дуговых сталеплавильных печей // Современная наука: идеи, исследования, результаты, технологии. - Сборник научных статей. – Киев: «НПВК Триакон», 2012. – №2(10). - С. 10-15. (ISSN 2076-6866)

Рис.3. Распределение скорости подсасываемого воздуха (w, м/с), по диагонали рабочего окна (b, м) для ДСП с предложенной системой газоудаления (а)

и традиционной системой газоудаления (б).

LCOI-Reviews, No. 11, 2012

84

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ МАЛОЙ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКИ В

ПРИДНЕСТРОВЬЕ

Фоменко В.Г., Филипенко С.И. Приднестровский государственный университет им. Т.Г. Шевченко, Тирасполь, Приднестровье

В статье рассматриваются предпосылки и перспективы развития малых типов альтернативных

электростанций на территории Приднестровского региона. Характеризуется территориальная организация регионального топливно-энергетического комплекса в целом, а также дается оценка преимуществ отдельных направлений мини-энергетики. Анализируются экономическая эффективность и экологическая целесообразность строительства и эксплуатации альтернативных станций в регионе.

Сегодня все большее распространение в мире получают разнообразные виды

альтернативных источников выработки электроэнергии. «Альтернативность» многих из них обуславливается экономичностью и экологичностью используемых технологий. Анализ альтернативы получения энергии показал, что в условиях энергодефицита наиболее перспективным направлением развития электроэнергетики в Приднестровье являются наплавные или погружные гидростанции малой мощности, которые могут использовать энергию реки Днестр. В настоящее время в мировой энергетике прослеживается стойкая тенденция к увеличению производства и потребления энергии. Даже с учетом значительных структурных изменений в промышленности и перехода на энергосберегающие технологии, потребности в тепло- и электроэнергии в ближайшие десятилетия будут увеличиваться.

Рис. 1. Территориальная организация электроэнергетики Приднестровья

LCOI-Review, No. 11, 2012

85

Приднестровье, будучи небольшим регионом (площадь 4,1 тыс. км2, 513 тыс.

населения), обладает мощным энергетическим комплексом, включающим тепловую электростанцию Молдавскую ГРЭС мощностью 2520 МВт и гидроэлектростанцию – Дубоссарскую ГЭС мощностью 48 МВт (рис. 1). Хотя республика в полной степени обеспечивает себя электроэнергией и в большей степени ее экспортирует, для нашего региона актуально и имеются все возможности для развития возобновляемой энергии, Наиболее перспективны: малая гидроэнергетика, использующая течение реки Днестр (наплавные, деривационные, погружные микро-ГЭС); ветроэнергетика, использующая роторные ветроэлектростанции малой мощности; в меньшей степени – фотопреобразователи (гелиоэлектростанции или солнечные электростанции) и установки получения биогаза. При удачном эксперименте следует разработать республиканскую программу, в которой поручить изготовление агрегатов ВИЭУ заводам Приднестровья («Электромашу», «Литмашу», «Электроаппаратура» и др.). Новое производство даст дополнительные рабочие места и повысит эффективность и экологичность экономики республики.

Необходимо усилить работу по исследованию и внедрению установок возобновляемой энергии в экономику и хозяйство Приднестровья. Чем раньше начнется этот процесс, тем быстрее будут достигнуты результаты. Использование в настоящее время природного газа в качестве топлива на Молдавской ГРЭС не снимает проблемы накопившихся с 1964 г. золошлаковых отходов от сжигания каменного угля, их влияния на окружающую среду. Такие отходы уже имеются в количестве более 13 млн. т. и в дальнейшем их необходимо утилизировать. Энергостратегия «газовой паузы» близка к своему исчерпанию в силу естественного истощения наиболее рентабельных месторождений газа в России. По оценкам специалистов РАО «Газпром» она продлится не более 6-7 лет.

В конце 80-х гг., после аварии на Чернобыльской АЭС, был свернут проект строительства Дубоссарской гидроаккумулятивной и Молдавской АЭС. Мощная Дубоссарская ГАЭС и Молдавская (Григориопольская) АЭС (планировались энергоблоки в районе Дороцкое-Григориополь, Григориополь-Бутор, Бутор-Черница) могли бы создать дополнительные рабочие места и позволили бы стать Приднестровью значительным участником энергорынка Юго-Восточной Европы. Но с другой стороны, реализация этих проектов резко обострила бы экологические проблемы региона, непосредственно затрагивая интересы Молдовы и Одесскую область Украины.

В Приднестровье возможны варианты строительства мини-ГЭС на участках Днестра в окрестностях населенных пунктов Грушка, Кузьмин, Каменка, Рашково, Строенцы, Гидирим, Григориополь, Бутор, Бычок, Чобручи. Перспективными является строительство биогазовых станций при животноводческих комплексах в Григориопольском, Дубоссарском и Рыбницком районах, а также гелиостанций в окрестностях города Рыбница и в Слободзейском районе.

Более детально рассмотрим результаты и перспективы развития в Приднестровье когенеративной электроэнергетики. Тем более это актуально, так как электростанция такого типа уже введена в строй в регионе. Особо широкое применение когенераторов в мире говорит о новой тенденции к развитию локальной энергетики, как наиболее экономически эффективной и экологичной отрасли топливно-энергетического комплекса [1].

Использование когенерационных установок позволяет существенно увеличить общий коэффициент использования топлива, что в значительной степени сокращает расходы на энергообеспечение. Когенерация – это технология комбинированной выработки энергии, которая позволяет увеличить экономическую эффективность использования первичного источника энергии – газа, для получения двух форм энергии – тепловой и электрической. Когенерационная установка дает энергетическую независимость потребителей, надежную подачу энергии, существенное снижение затрат на получение тепловой энергии, значительную экологизацию производства [1, 8].

LCOI-Reviews, No. 11, 2012

86

Когенераторная станция представляет собой использование первичного источника

энергии – газа, для получения двух форм энергии: тепловой и электрической. Главное преимущество когенераторной электростанции перед обычными электростанциями состоит в том, что преобразование энергии здесь происходит с большей эффективностью (рис. 2). Иными словами, когенераторная (когенерационная) установка позволяет использовать то тепло, которое обычно теряется. Значительно снижается потребность в топливе. Использование когенерационной установки сокращает расходы на энергообеспечение ~ 100$/кВт. Когенераторная установка – это, прежде всего, энергетическая независимость, снижение затрат на тепло и относительная экологичность [2].

Рис. 2. Экономическая эффективность когенерации Она состоит из газового двигателя, генератора, системы отбора тепла и системы

управления. Тепло отбирается из системы выхлопа, масляного радиатора и системы охлаждения двигателя. На 100 кВт электрической мощности потребитель получает ~120 кВт тепловой мощности в виде пара и горячей воды для отопления и водоснабжения. Когенераторные электростанции успешно покрывают потребность в недорогой электрической и тепловой энергии [4].

Рис. 3. Когенерационная электростанция «Тиротекс-Энерго»

LCOI-Review, No. 11, 2012

87

Таким воплощенным проектом стала когенерационная электростанция «Тиротекс-

Энерго» (рис. 3). Она представляет собой комплекс оборудования, включающий газопоршневые двигатели, электрогенераторы, систему утилизации тепла и систему визуализации, контроля и управления электрическим и технологическим оборудованием. Введение в строй такой станции позволяет эффективно дополнять рынок энергоснабжения без существенной реконструкции сетей, при этом значительно улучшает качество электрической и тепловой энергий. Преимущества когенерации несомненны и в отношении экологии, так как она позволяет существенно сократить вредные выбросы в атмосферу по сравнению с раздельным производством электрической и тепловой энергий. Результатом изучения и обобщения мирового опыта применения когенерационных установок, стал вывод, что их использование в Приднестровье, будет способствовать повышению энергетической безопасности и надежности работы промышленных предприятий, а также даст возможность создать дополнительные рабочие места [9].

Оборудование, установленное и используемое на когенерационной станции «Тиротекс-Энерго», является продукцией лучших европейских и мировых производителей, сертифицировано и прошло специальные испытания на территории нашего государства. Новый энергокомплекс может работать как параллельно с сетями «Днестрэнерго», так и в автономном режиме. Все агрегаты станции функционируют автоматически, человек только контролирует их работу. С 1 августа 2010 г. «Тиротекс-Энерго» начало промышленное производство и отпуск потребителям электрической и тепловой энергий. Она способна вырабатывать ежегодно свыше 250 миллионов кВт/ч электрической энергии с высокими техническими параметрами (частота, отклонение и колебание напряжения и т.д.) и свыше 450 тыс. Гкал тепловой энергии на технологические нужды предприятий и горячее водоснабжение. В состав «Тиротекс-Энерго» входят также водо-канализационный цех, паросиловое хозяйство, компрессорная станция по выработке сжатого воздуха, и участок электросетей и подстанций [8, 9].

На сегодняшний день потребителями энергии, вырабатываемой «Тиротекс-Энерго», являются более 20-ти приднестровских предприятий и организаций, в их числе: ЗАО «Тиротекс; ООО «Шериф»; ЗАО «СК «Шериф»; ЗАО «ТВКЗ «KВИНТ»; ЗАО «Тираспольский хлебокомбинат»; СЗАО «Интерднестрком»; ЗАО «Тираспольский комбинат хлебопродуктов»; ООО «Завод ДСК»; АОЗТ «Молдавизолит»; ЗАО «Бендерский комбинат крахмалопродуктов»; ГУП «ГК Днестрэнерго» [8, 9].

Применение когенераторных электростанций в городах позволяет эффективно дополнять рынок энергоснабжения, без реконструкции сетей. При этом значительно увеличивается качество электрической и тепловой энергий. Автономная работа установки позволяет обеспечить потребителей электроэнергией со стабильными параметрами по частоте и по напряжению, тепловой энергией со стабильными параметрами по температуре. Потенциальными объектами для применения когенерационных установок выступают промышленные производства, нефтеперерабатывающие заводы, больницы, объекты жилищной сферы, газоперекачивающие станции, компрессорные станции, котельные и т.д. В результате внедрения когенераторных электростанций возможно решение проблемы обеспечения потребителей теплом и электроэнергией без дополнительного строительства мощных линий электропередачи и теплотрасс. Приближенность источников к потребителям позволит значительно снизить потери передачи энергии и улучшить ее качество, а значит, и повысить коэффициент использования энергии природного газа. Тираспольская станция – одна из крупнейших в Европе. В качестве топливных газов она использует промышленные газы и канализационный метан. Станция имеет значительный потенциал для дальнейшего развития. В перспективе планируется перейти на тригенерацию, т.е. помимо электроэнергии и пара, станция будет вырабатывать холод для технологических нужд и кондиционирования помещений предприятия [9].

LCOI-Reviews, No. 11, 2012

88

Когенерационная установка является эффективной альтернативой тепловым

сетям, благодаря гибкому изменению параметров теплоносителя в зависимости от требований потребителя в любое время года. Она не подвержена зависимости от экономического состояния дел в крупных теплоэнергетических компаниях. Когенераторная установка вырабатывает электроэнергию и тепловую энергию в соотношение ~1:1,2. Доход (или экономия) от реализации электричества и тепловой энергии покрывает все расходы на когенераторную электростанцию; окупаемость капитальных вложений на когенераторную установку происходит быстрее окупаемости средств, затраченных на подключение к тепловым сетям, обеспечивая тем самым быстрый и устойчивый возврат инвестиций. Установка хорошо вписываются в электрическую схему отдельных потребителей и в электрические сети города при параллельной работе с сетью. Когенераторные электростанции покрывают недостаток генерирующих мощностей в городах. Появление установок позволяет разгрузить электрические сети, обеспечить стабильное качество электроэнергии и делает возможным подключение новых потребителей [2, 3].

Секционирование (пакетирование) когенераторов в форме энергокластеров стало возможным лишь в последнее время, когда появились надежные, высокоточные системы управления, основанные на достижениях микропроцессорной техники и компьютерных технологий. С помощью кластеров стало возможным построение больших когенераторных установок, экономическая эффективность которых не хуже единичного блока, работающего при номинальной нагрузке. Особенно важным применением таких когенераторов является электроснабжение жилых массивов, в которых отсутствуют промышленные потребители и отношение максимальной и минимальной нагрузки в течение суток достигает десятков раз, так как российские условия делают невозможным продажу вырабатываемой в ночное время электроэнергии сетям как, например в Европе. Важным экономическим фактором распространения секционированных когенераторных систем является то, что удельная стоимость (в расчете на 1 кВт мощности) малых установок ниже, чем удельная стоимость единичных когенераторов большей мощности. Положительной особенностью секционированных когенераторных систем является их более высокая надежность [3, 4].

Важным фактором в пользу выбора когенератора является его экологическая безопасность (рис. 4). Подобные установки имеют низкий уровень выбросов в атмосферу токсичных веществ и удовлетворяют самым жестким международным и российским стандартам. Предприятия, имеющие собственную когенераторную установку, смогут обеспечить собственные потребности в электроэнергии. При этом не только снизится себестоимость основной продукции предприятий, но и значительно возрастет его энергетическая безопасность, поскольку потери в подаче электроэнергии от центральных энергетических компаний не будут влиять на ход технологического процесса.

Когенерация, используя первичное топливо эффективней традиционной энергетики, снижает выбросы загрязняющих веществ (оксида азота, двуокиси серы и летучих органических соединений) в 2-3 раза, в зависимости от конкретного случая. Станции когенерации малы и обычно расположены внутри существующих зданий и заводских территорий. Компактность когенерационных станций является одним из их явных преимуществ. Уровень вредных выбросов этого типа станций на порядок ниже уровня крупных электростанций. Системы когенерации особенно полезны в районах, где развитие ограничено вследствие экологических ограничений [5].

Системы отопления, вентиляции и кондиционирования часто не обеспечивают должного контроля за влажностью или удовлетворяет потребности здания с помощью наружного воздуха. В комбинации с осушителем воздуха, когенерационные системы обеспечивают лучший контроль за влажностью нежели стандартные системы и снижают потенциал роста плесени и числа бактерий. В комбинации с системой когенерации, абсорбционные холодильники могут уменьшать эмиссии парниковых газов.

LCOI-Review, No. 11, 2012

89

Свалки больших городов и очистные сооружения городской канализации при

утилизации метана в малых и средних системах когенерации дают не только дополнительную электроэнергию городу, но и примерно в 20 раз уменьшат загрязнение атмосферы по сравнению с его сжиганием [5, 6].

Рис. 4. Экологическая эффективность когенерации Таким образом, когенерационная электростанция - это экономически эффективный и

достаточно экологичный способ выработки энергии, снижающий издержки производственных процессов и решающий задачу утилизации вредных промышленных и коммунальных выбросов. Именно эти задачи призвана решить и успешно решает станция «Тиротекс-Энерго» в условиях крупного промышленного производства в пределах урбанизированной территории.

Список использованной литературы 1. Доклад д-ра Симона Минетта, директора COGEN Europe, представленный на 5-ой

ежегодной конференции COGEN Europe. 2. Клименко В.Н., Сабашук П.П., Клименко Ю.Г. и др. Энергетические

характеристики когенерационной установки на частичных тепловых нагрузках // Промышленная теплотехника. 1997, № 3. С. 51-56.

3. Клименко В.Н. Проблемы когенерационных технологий в Украине // Промышленная теплотехника. 2001, № 4-5. С. 106-110.

4. Когенерационные системы с тепловыми двигателями: справочное пособие. / Под ред. А.И. Мазура; Ин-т прикладных исслед. в энергетике. – К.: ИПЦ АЛКОН НАН Украины, 2008.

5. Любчик Г.М., Варламов Г.Б., Маляренко В.А. Теплоенергетичнi установки та екологiчнi аспекти виробництва енергii. К.: IВЦ «Полiтехшка». 2003. – 232 с.

6. Разуваев А.В. Целесообразность применения систем утилизации тепла ДВС // Турбины и дизели. 2010. №1. С 48 - 50.

7. Combined Heat and Power. Evaluating the benefits of greater global investment // IEA Publications. 2008.

8. Фоменко В.Г. Экологические аспекты функционирования когенерационной электростанции «Тиротекс-Энерго» // Геоэкологические и биоэкологические проблемы Северного Причерноморья. Материалы IV Международной научно-практической конференции 9–10 ноября 2012 г. – Тирасполь: Изд-во ПГУ, 2012 – С. 318-320.

9. Сайт ООО «Тиротекс-Энерго». Доступно: tirotex-еnergo.com/about_us_ru1.htm

LCOI-Reviews, No. 11, 2012

90

СОКРАЩЕНИЕ ЭМИССИИ ПАРНИКОВЫХ ГАЗОВ ПУТЕМ

ФОРМИРОВАНИЯ ВТОРИЧНЫХ ЭКОСИСТЕМ НА ЗЕМЛЯХ, ИЗМЕНЕННЫХ В РЕЗУЛЬТАТЕ АНТРОПОГЕННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ

А.Г. Шапарь, О.А. Скрипник

Институт проблем природопользования и экологии Национальной академии наук Украины, г. Днепропетровск, Украина

Формирование вторичных почв и растительности на нарушенных горными работами землях,

сокращение площади водохранилищ и воссоздание растительности долины Днепра, восстановление продуктивности деградированых земель (эродированных, засоленных, песчаных) способны депонировать углерод выбросов промышленности Украины и снизить глобальный парниковый эффект.

Введение Антропогенез сопровождается не только непосредственными выбросами парниковых

газов в атмосферу, но и изменением земель, экосистемы которых теряют способность поддерживать стабильность биосферы. Таким образом, опустынивание земель, которое само по себе представляет глобальную экологическую проблему, усиливает последствия изменения климата. Возвращение нарушенных земель в состояние природного функционирования вторичных экосистем создает возможность запуска биологических механизмов саморегуляции биосферы, в том числе, стабилизации содержания парниковых газов и температуры. Растения поглощают углекислый газ без дополнительных затрат энергии и материальных ресурсов, создания отходов производства, загрязнения окружающей среды в автоматическом режиме. Разработка методов, технологий, технологических приемов формирования вторичных экосистем в режиме природного функционирования и оценка их возможностей противодействия изменениям климата представляет актуальную научную задачу.

Формирование вторичных экосистем, нарушенных горными работами земель как низко-углеродная технология Проведение горных работ сопровождается образованием нарушенных земель с

полным уничтожением природных экосистем: изменением строения поверхности, выходом на поверхность безжизненных горных пород. Нарушенные земли служат источником загрязнения окружающей среды и требуют технологической реабилитации. Осуществление технологического воздействия на геосистему в большинстве случаев связано с добавлением вещества или энергии с изменением состояния геосистемы нарушенных земель. Управление технологической деятельностью создает возможность формирования целевого типа экосистем необходимого для устойчивого развития данной территории, в том числе, и направленного на депонирование углерода, сокращение эмиссии СО2, метана.

Многовековой опыт развития горнодобывающей промышленности позволил разработать большое количество методов воздействия на нарушенные земли. По результатам формальной оценки их можно разделить по следующим признакам: направление, механизмы управления, технологические особенности и энергетическая основа.

На первом этапе выделяются 3 комплекса методов по их направлениям: формирование вторичных экосистем, рекультивация и мелиорация.

Комплекс формирования вторичных экосистем объединяет методы технологического воздействия на природные процессы. Целью этих методов является создание природных экосистем, которые в наибольшей степени соответствуют условиям, которые возникли на нарушенных горными работами землях. Двигателем процессов является природная способность экосистем к самовосстановлению. Она присуща всем экосистемам, имеющим биотическую составляющую [1].

LCOI-Review, No. 11, 2012

91

Отказ от осуществления масштабного вмешательства, необходимость уменьшения

техногенного воздействия, увеличения естественной составляющей методов восстановления требуют разработки формирования вторичных экосистем на основе природного функционирования. Они базируются на новых подходах и ориентированных на экологические результаты воздействиях. В процессе взаимодействия с биотой породы превращаются в почвообразующие, дают питательные элементы для растений, микроорганизмов и животных. Формирование вторичных почв ведет к депонированию элементов, в том числе, углерода, агрегированию гранулометрических элементов, накоплению влаги и органического вещества, поглощению пыли и газов, что способствует уменьшению экологических рисков.

Рекультивация по определению представляет собой комплекс работ, направленных на восстановление продуктивности нарушенных земель. Рекультивация предусматривает, прежде всего, создание почвоподобных слоистых образований [2-4]. Традиционно она подразделяется на 2 этапа: горно-технический и биологический. Предпочтение отдается искусственным методам - планировка, землевание, создание искусственного профиля почв. Целью рекультивации является уменьшение разнообразия ландшафтов и использования земель в искусственных агроценозах или лесных насаждениях с ограниченным биологическим разнообразием. Энергетическая основа рекультивации обеспечивается за счет работы машин и механизмов. Комплекс рекультивации, ставший уже традиционным, требует больших энергетических затрат, сопровождается выделением отходов, в том числе, и парниковых газов. На отдельных стадиях рекультивации наблюдаются деградационные явления (водная и ветровая эрозия почв, гибель растений и т.д.).

Для осуществления мелиорации необходимы дополнительные затраты энергии на добычу мелиорирующих веществ и внесения их в геосистемы. Мелиоративные работы часто оставляют после себя засоленные и солонцеватые почвы, пересушенные торфяники, подтопленные земли. Мелиорация может существенно влиять на режим грунтовых и поверхностных вод, нарушать экологический баланс.

Табл. 1. Энергоемкость и отходность по направлениям реабилитации экосистем

Направление Энергоемкость, ГДж/га

Отходность, т/га

Выбросы СО2, т/га

Сельскохозяйственная рекультивация

470,6 8,063 47

Лесохозяйственная рекультивация

303,0 5,108 30

Рекреационная рекультивация

157,9 2,176 16

Формирование вторичных экосистем

34,2 0, 390 3

Формирование растительных группировок ведет к накоплению биомассы, которая

способна поглощать токсичные вещества, пыль, парниковые газы, росту вторичного биоразнообразия, защите поверхности от воздействия ветра и поверхностного стока, что также способствует уменьшению экологического ущерба. Формирование вторичных экосистем вызывает значительно меньшее влияние на окружающую среду, чем затратные технологии рекультивации (табл. 1). По нашим оценкам, применение инновационных технологий способствует сокращению выбросов СО2 на 47 т/га.

Технология активизации формирования вторичных почв позволяет проводить утилизацию органических отходов коммунального, лесного, сельского хозяйства перерабатывающей промышленности. Внесение осадков сточных вод на поверхность нарушенных земель вовлекает в процесс экосистемообразования до 100 т/га органических отходов.

LCOI-Reviews, No. 11, 2012

92

При общих запасах осадков сточных вод на предприятиях КП «Кривбассводоканал» в

150 тыс. т, применение технологии позволяет избежать эмиссии 550 000 т СО2 при их традиционном сжигании.

Вторичные почвы в процессе своего развития депонируют углерод в составе органического вещества. Исследование процесса накопления органического вещества свидетельствует о том, что запасы гумуса в техноземах вторичных экосистем составляют 10-18 т/га, что позволяет обеспечить депонирование 6-11 т/га углерода (табл. 2) за период развития в 30-50 лет. Развитие вторичных экосистем сопровождается усилением их продукционной способности и темпов накопления органического вещества. Ежегодное накопление гумуса в развитых экосистемах составляет 0,5-1,0 т/га, депонирование углерода при этом составляет 0,3-0,6 т/га.

Табл. 2 Накопление гумуса и депонирование углерода во вторичных почвах на

нарушенных горными работами землях Вторичные почвы Запасы гумуса,

т/га Депонирование углерода, т/га

Техноземы каменистых суглинков заказника «Визирка» (Ингулецкий ГОК)

10 6

Техноземы лессовидных суглинков заказника «Грушевский» (Марганецкий ГОК)

15 9

Техноземы лессовидных суглинков заказника «Вершина» (Просянской ГОК)

18 11

Еще более активно происходит накопление углерода вторичной растительностью,

которая потребляет СО2 в процессе фотосинтеза. Исследования вторичных фитоценозов на опытном участке (отвал №3 Ингулецкого ГОКа) свидетельствуют о том, что наибольшую продуктивность демонстрируют вторичные травянистые сообщества, доминирующими видами которых являются донник белый и люцерна посевная (табл. 3)

Табл. 3. Средняя ежегодная продуктивность и накопление углерода вторичными

растительными сообществами Растительные сообщества Чистая первичная

продукция (NPP), т/га Накопление углерода, т/га

Донниковые 95 57 Люцерновые 68 41 Акациевые 55 33 Аморфовые 65 39 Дубовые 5 3

В целом, формирование вторичных экосистем, на нарушенных землях может

способствовать ежегодному депонированию углерода до 82 т/га. Возрождение всех земель, нарушенных горными работами, может обеспечить ежегодное депонирование 3 млн. т углерода в Днепропетровской области, что соответствует поглощению 15 млн т СО2 и компенсирует промышленные выбросы области [5].

Перевод экосистем бассейна р. Днепр в состояние устойчивого функционирования Катастрофические изменения земель вызвало создание каскада Днепровских

водохранилищ. В результате столь масштабного преобразования природы было затоплено около 700 000 га высокопродуктивных поемных лесов и лугов, значительно снизили продуктивность подтопленные, засоленные, земли на площади около 500 000 га.

В настоящее время водохранилища являются высокопроизводительным источником парниковых газов: водяного пара и метана.

LCOI-Review, No. 11, 2012

93

Объем испарения с поверхности водохранилищ оценивается в 0,9-4,1 км3/год [6,7].

Водяной пар оказывает парниковый эффект вдвое превышающий действие СО2. Таким образом, испарение с поверхности водохранилищ оказывает на климат действие аналогичное влиянию 1,8-8,2 млрд т/год СО2, что значительно превышает выделение его всей промышленностью Украины (322 млн т).

Заиление водохранилищ привело к значительному росту площади мелководий, особенно в Каховском, Кременчугском водохранилищах и оз. им. Ленина, где развиваются анаэробные процессы разложения органического вещества с выделением метана [6]. Оценка эмиссии метана в донных отложениях болот и озер Западной Сибири, Рыбинского водохранилища свидетельствует о выделении метана илами, насыщенными органическими веществами, которая может достигать 600-800 мл/м2хсут, или 2000-3000 м3/гахгод [8,9]. Площадь мелководий каскада водохранилищ составляет уже сегодня 280 тыс. га и продолжает увеличиваться в процессе заиления. Функционирование водохранилищ в их современном состоянии может приводить к эмиссии 840 млн м3/год, или около 600 тыс. т/год. Парниковый эффект такого количества метана может быть эквивалентным действию 13 млн т/год СО2.

Сокращение эмиссии парниковых газов может быть достигнуто путем перестройки водохранилищ или изменением режима их работы. Отделение мелководий водохранилищ дамбами позволяет уменьшить площадь испарения с водной поверхности и выделение метана донных отложений. Однако, такой метод требует расходования огромных материальных и энергетических ресурсов. Вместе с тем, его применение не исключает вторичного заболачивания польдеров. Легче снизить уровень водохранилищ, что приведет к потерям в производстве гидроэлектроэнергии, но сократит площадь зеркала и мелководий [10]. Радикальным решением множества экологических проблем бассейна р. Днепр является поэтапный спуск водохранилищ [11].

Формирование вторичных экосистем на землях, вышедших из-под затопления водохранилищами, позволит создать продуктивные пойменные сообщества. Наши исследования поемной растительности Днепрово-Орельского природного заповедника, исследования других авторов [12] свидетельствуют о том, что средняя биологическая продуктивность деревянистых и травянистых поемных экосистем может составлять 15 т/га хгод. Депонирование углерода при этом достигнет 10 т/гахгод, что обеспечит поглощение 50 т/гахгод СО2. По нашим, оценкам при спуске водохранилищ днепровского каскада из-под затопления может выйти до 600 тис. га нарушенных земель. Формирование на этих землях вторичных экосистем обеспечит поглощение 30 млн т/год СО2.

Затопленная ныне пойма р. Днепр в природном состоянии образовывала стабильность экосистем всего бассейна. За счет поймы удерживались даже в степной зоне оптимальные показатели лесистости (8 %). Пойменные экосистемы способствовали миграции живых организмов в меридиональном направлении, обмен генетическим материалом. Вместе с тем, обширная пойма давала неиссякаемые источники биологических ресурсов, органических продуктов. Функционирование водохранилищ, созданных в индустриальную эпоху, противодействует сегодня выполнению требований устойчивого развития страны.

Консервация малопродуктивной пашни В структуре земельного фонда Украины преобладают сельскохозяйственные земли

(71%). Пашня составляет 32,5 млн. га (53,8%), по распаханности страна превосходит большинство государств СНГ и Европы. Формирование землепользования происходило на основе политической необходимости, которая исключала учет экологических возможностей территории. Использование круто склоновых, песчанистых, засоленных, осолонцованных земель под пашню привел к их деградации и резкому снижению продуктивности. По нашим оценкам, сегодня только в Днепропетровской области около 480 тыс. га пашни нуждается в консервации.

LCOI-Reviews, No. 11, 2012

94

В соответствии с экологическими условиями здесь необходимо создание

искусственных лесонасаждений, улучшенных травостоев для использования в качестве сенокосов и пастбищ. Обеспечивая режим природного функционирования вторичных экосистем, можно по крайней мере на 3 месяца продлить вегетационный период, в том числе, и для фотосинтетического поглощения СО2. Консервация пашни позволит достичь интенсификации депонирования углерода на 4 т/гахгод, поглощения 20 т/гахгод СО2. Таким образом, можно обеспечить только по Днепропетровской области поглощения 10 млн т/год СО2, что составляет 60% промышленных выбросов региона.

Выводы. 1. В результате рационализации землепользования путем перевода нарушенных и

деградированных земель в режим природного функционирования возможно поглощение промышленных выбросов парниковых газов Украины.

2. Наибольший экологический эффект можно достичь путем вывода из-под затопления земель каскада днепровских водохранилищ.

Список литературы. 1. Шапарь А.Г. Активизация самовосстановления биогеоценозов деградированных

земель Кривбасса / А.Г. Шапарь, О.А. Скрипник, Л.Ф. Бобырь // Вісник Дніпропетровського державного агроуніверситету. – 2005. – № 1. – С. 15-18.

2. Шемавньов В.І., Забалуєв В.О., Чабан І.П. Техногенні території: рекультивація, оптимізація агроландшафтів, раціоналне використання // Мат. Міжн. Наук.-пр. конф. „Раціональне використання рекультивованих та еродованих земель: досвід, проблеми, перспективи” – Дніпропетровськ: Дн-ський агр.ун. – 2006. – С. 16-20.

3. Некоторые теоретические проблемы рекультивации / [Карпачевский Л.О., Зубкова Т. А., Шевякова Н. И., Бганцова М. В.] // Мат. Міжн. Наук.-пр. конф. „Раціональне використання рекультивованих та еродованих земель: досвід, проблеми, перспективи” – Дніпропетровськ : Дн-ський агр.ун. – 2006. – С. 27–28.

4. Травлеев А. П. Днепропетровский национальный университет – научный центр лесной рекультивации шахтных отвалов на Украине (итоги и перспективы) / А. П. Травлеев, Н. М. Дронь, Н. А. Белова // Тези доп. міжн. конф. „Проблеми лісової рекультивації порушених земель України”. – Д : ДНУ, 2006 – С. 3–7.

5. Регіональна доповідь про стан навколишнього природного середовища в Дніпропетровській області за 2009 рік.

6. Водохранилища и их воздействие на окружающую среду / Отв.ред. Г.В.Воропаев, А.Б.Авакян. - М.: Наука, 1986. – 367 с.

7. Михайлов, В.Н. Гидрология / В.Н.Михайлов, А.Д. Добровольский, С.А.Добролюбов. - М. : Высшая школа, 2005. – 463 с.

8. Гальченко В.Ф., Дулов Л.Е., и др. Биогеохимические процессы цикла метана в почвах, болотах и озерах Западной Сибири // Микробиология, 2001, Т. 70, № 2 – С. 215-225.

9. Дзюбан А.Н. Метан и микробиологические процессы его трансформации в воде верхневолжских водохранилищ // Водные ресурсы, 2002, Т. 29, № 1. – С. 68-78.

10. Демьянов В. Спасти Днепр // Экобезопасность: Всеукраинская информационная газета. – 2011. – № 1-2 (7-8).

11. Шапар А.Г., Скрипник О.О., Сметана С.М. Еколого-економічні проблеми переводу екосистеми річки Дніпро до сталого функціонування // Екологія і природокористування: Зб. наук. праць Інституту проблем природокористування та екології НАН України. – 2011. – Випуск 14. – С. 26-49.

12. Базилевич Н.И. Биологическая продуктивность экосистем Северной Евразии – М.: Наука, 1993 – 293 с.

LCOI-Review, No. 11, 2012

95

ОЦЕНКА ПОТЕНЦИАЛА ИСТОЧНИКОВ И

ПОГЛОТИТЕЛЕЙ СО2 НА ВОСТОКЕ УКРАИНЫ: ПЕРСПЕКТИВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ТРАНСПОРТИРОВКИ СО2

Шеставин Н.С.

Донецкий национальный университет, Донецк, Украина Проведенные на основе данных из открытых источников информации исследования потенциала

эмиссии и поглощения СО2 в восточных областях Украины позволили создать географические информационные системы по основным источникам эмиссии СО2 и по возможным участкам геологического хранения СО2. Совмещением этих систем определяются перспективные направления транспортировки СО2 от кластеров предприятий до участков размещения хранилищ.

Введение В настоящее время уже происходят реальные изменения климата, главной причиной

которых являются антропогенные выбросы парниковых газов и в наибольшей степени выбросы диоксида углерода (СО2) из стационарных источников. Это было обосновано и намечены пути решения возникающих проблем еще в первых докладах Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК) [1]. Такие же тенденции и перспективы глобального развития подтверждаются и в настоящее время в последних докладах МГЭИК и в докладах других компетентных международных организаций [2].

После проведения тщательных экономических исследований проблем, возникающих в связи с изменение климата, были сделаны выводы о целесообразности интенсивного внедрения новых технологий улавливания и хранения диоксида углерода (УХУ) в энергетику всех стран мира как основного инструмента противодействия уже происходящим процессам глобального изменения климата [3, 4].

Технологии УХУ сейчас уже разрабатываются и внедряются в исследовательских, пилотных и промышленных масштабах, а также определены перспективы их развития до 2050 года, когда использование технологий УХУ позволит вместо увеличения эмиссии СО2 к 2050 году на 130% по сравнению с уровнем 2005 года достигнуть уменьшения эмиссии СО2 до 50% [5-7].

Однако в Украине не проводится «секвестрация СО2, который выбрасывается в процессе сжигания углеродосодержащих видов топлива для целей долгосрочного хранения, например, в геологических формациях» [8, с. 90]. Принятая в 2006 году Энергетическая стратегия Украины до 2030 года [9] не планирует в ближайшее время исследовать, разрабатывать и внедрять технологии УХУ в энергетику Украины.

Поэтому сейчас необходимо выполнить оценки возможных сценариев внедрения технологий УХУ в энергетическом секторе Украины и, прежде всего, на предприятиях восточных регионов, где сосредоточены основные энергетические и промышленные мощности Украины, которые выбрасывают значительные объемы парниковых газов, а также имеются глубокие геологические формации, очевидно пригодные для целей долговременного хранения сверхкритического СО2.

Выполнение таких исследований, а также последующих технологических разработок с их внедрением на энергетических предприятиях, позволят Украине внести достойный вклад в решении проблем, вызванных глобальным изменением климата.

В начале 90-х годов Украина занимала второе место в Европе по объемам выбросов СО2, в 2009 – седьмое, а в 2011 году уже занимает шестую позицию (рис. 1) и имеет тенденцию постепенного увеличения этих объемов, в то время как большинство стран мира поставили перед собой цели по уменьшению выбросов СО2 в ближайшее десятилетие [10].

LCOI-Reviews, No. 11, 2012

96

Рис. 1. Тренды объемов эмиссии СО2 в странах Европы за 1990-2011 гг. Основываясь на статистических данных Украины за 2010 год [11] можно отметить,

что более 83% объемов эмиссии СО2 происходит от стационарных источников загрязнения (рис.2), когда не принимаются во внимание выбросы СО2 от частного жилого сектора, что отличается от статистических требований МГЭИК.

Такое различие в требованиях к статистическим данным относительно выбросов СО2 из различных источников и различие в списках источников эмиссии СО2 уже привели к лишению Украины статуса соответствия требованиям Киотского протокола. В 2012 году был подготовлен новый вариант Национального кадастра антропогенных выбросов из источников и абсорбции поглотителями парниковых газов в Украине за 1990-2010 гг. [8] с учетом требований МГЭИК и этот статус сейчас восстановлен.

Рис. 2. Выбросы СО2 в атмосферу стационарными и мобильными источниками

загрязнения по видам экономической деятельности в 2010 году в тыс. т по официальным статистическим данным [11] и по данным Национального кадастра антропогенных выбросов [8]

LCOI-Review, No. 11, 2012

97

При этом 74% выбросов СО2 производят предприятия энергетического,

металлургического и химического секторов экономики. В дальнейших исследованиях как раз и будут учитываться такие предприятия.

Категории источников эмиссии СО2, которые приняты в статистической отчетности Украины, существенно отличаются от категорий МГЭИК. Поэтому в Национальном кадастре антропогенных выбросов [8] представлены несколько другие данные, в частности: по категории 1.А.1.а – Производство электроэнергии и тепла: выбросы СО2 при сжигании всех видов топлива составляют 94404 тыс. т; а по категории 1.А.4.b – Частный жилой сектор: 40962 тыс. т; и по категории 1.А.2.a – Черная металлургия: 38378 тыс. т.; по остальным категориям – менее 10000 тыс. т. Чтобы в дальнейшем избежать этих разногласий в данных, необходимо ввести в статистические формы отчетности предприятий категории МГЭИК.

Если рассмотреть распределение объемов эмиссии СО2 по регионам Украины [12] (рис. 3), то можно выделить пять областей Украины, в которых выбросы СО2 превышают 10 млн. т в год (выделены пунктиром на рис. 3). В этих областях (Донецкой, Днепропетровской, Запорожской, Луганской и Харьковской) как раз и сосредоточены крупнейшие тепловые электростанции (ТЭС), которые учитываются в Национальном кадастре антропогенных выбросов [8]: Запорожская, Змеевская, Зуевская, Криворожская, Кураховская, Луганская, Приднепровская, Славянская, Старобешевская и Углегорская.

Рис. 3. Выбросы СО2 от стационарных источников загрязнения в регионах Украины в

2010 году в млн. т

LCOI-Reviews, No. 11, 2012

98

Потенциал источников эмиссии СО2 Используя информацию из 4-х открытых баз данных: МЭА [13], BELLONA [14],

CARMA [15] и ДТЭК [16], - а также новые дополнительные данные непосредственно от тепловых электростанций, металлургических, коксохимических, цементных, химических и нефтеперерабатывающих заводов создана географическая информационная система (ГИС) источников CO2, которая охватывает пять восточных областей Украины (указанных ранее). Эта ГИС в тестовом режиме находится в свободном доступе на веб-сайте проекта LCOIR-UA [17] и предприятия могут ознакомиться с данными о своих выбросах CO2, которые приводятся в сетевых источниках, и откорректировать эти данные в соответствии с реальными объемами выбросов своего предприятия.

Используя эту ГИС можно оценить количество выбросов CO2 от конкретного предприятия, а также получить данные о его географическом положении и другую полезную информацию о нем (5 вариантов величины значка предприятия соответствуют следующей градации предприятий по объемам выбросов CO2: 1 Мт/год и менее; 1-4 Мт/год; 4-7 Мт/год; 7-10 Мт/год; 10 Мт/год и более). ГИС дает возможность одновременно анализировать все предприятия указанных отраслей экономики Украины (рис. 4) или рассматривать только компании в избранной отрасли:

- угольных электростанций (по состоянию на 2011 год [18] доля угля в топливе ТЭС составляет более чем 97,5% против 52,3% как показано в [15]) в настоящий момент представлено в ГИС 12;

- газовых электростанций – 1; - металлургических заводов – 13; - коксохимических заводов – 14; - цементных заводов – 8; - различных химических заводов (в том числе нефтеперерабатывающих) – 3. Планируется дополнить эту базу данных информацией о выбросах CO2 от

предприятий жилищно-коммунальных хозяйств городов, жилых домов частного сектора, а также от автомобильного транспорта.

Рис. 4. ГИС стационарных источников эмиссии СО2 в восточных областях Украины

LCOI-Review, No. 11, 2012

99

Так как эта ГИС основана на неофициальных источниках информации, то реальные

значения объемов эмиссии СО2 конкретного предприятия могут существенно отличаться от значений представленных в ГИС. В таких случаях предприятие может обратиться к веб-сайту проекта LCOIR-UA [17] с предложением обновить информацию об объемах эмиссии СО2, чтобы она находилась в соответствии с официальной статистической отчетностью предприятия. Такое регулярное обновление информации об объемах эмиссии СО2 будет свидетельствовать о стремлении предприятия к ответственному отношению к проблемам глобального изменения климата и об осознании роли своего «углеродного следа» в возникновении этих проблем.

Потенциал резервуаров хранения СО2 Закачивание СО2 в геологические формации насчитывает более чем тридцатилетний

опыт работ по повышению нефте- и газоотдачи пластов. Кроме этого, в последнее время в различных странах проводятся многочисленные исследования по геологическому хранению СО2. В качестве долгосрочных хранилищ СО2 рассматривают главным образом поровые или трещиноватые осадочные породы (коллекторы), ограниченные от окружающей горной среды и земной поверхности слабопроницаемыми или практически непроницаемыми породами (флюидоупорами или покрышками) [5].

Следует отметить, что природные хранилища газов (в том числе и горючих) естественного генезиса являются надежными на протяжении сотен тысяч и миллионов лет, утечки газов из них пренебрежимо малы.

Выделяются три основных типа формаций, в которых возможно геологическое хранение СО2: истощенные или находящиеся на стадии истощения нефтегазоносные бассейны, глубоко залегающие соленосные формации, и не имеющие промышленного значения угольные пласты. Среди других возможных вариантов геологических формаций также рассматриваются базальты и горючие сланцы, однако их потенциал еще пока недостаточно изучен.

Успешность геологического метода хранения СО2 подтверждается результатами экспериментов, проводимых в разное время компаниями MRCSP, MGSC, SECARB, SWP, WESTCARB, Big Sky, PCOR (США), а также в рамках проектов Weyburn, Fenn Big Valley (Канада), Sleipner (Норвегия), Yubari (Япония), Qinshui Basin (Китай) и др. [19-21].

Поиск и выбор геологических структур и горизонтов, способных служить долгосрочными хранилищами СО2 в нефтегазоносных бассейнах основывается, как правило, на результатах предыдущих поисковых и геологоразведочных работ, а определение перспективных участков хранения СО2 требует дополнительных исследований.

Анализ и обоснование проблемы На территории Украины расположены крупные нефтегазоносные провинции с

большим объемом продуктивных горизонтов. Один из самых крупных нефтегазоносных районов – Днепровско-Донецкий бассейн расположен в границах двух больших структур – Днепровско-Донецкий впадины (ДДВ) и Донецкого каменноугольного бассейна (Донбасса). Газоносность Днепровско-Донецкого бассейна тесно связана с терригенными осадочными породами среднего-верхнего карбона и нижней перми. Метановая газоносность Донбасса также связана с угленосной толщей карбона.

Результаты предыдущих геологоразведочных работ показали, что в геологических условиях ДДВ и Донбасса одними из перспективных в отношении газоносности районами являются участки с сохраненными гидрохимическими отложениями нижнепермского возраста. Важная роль гидрохимических отложений заключается в их хороших изоляционных свойствах (чередование непроницаемых для нефти и газа слоев каменной соли, плотных ангидритов и гипсов) [22].

LCOI-Reviews, No. 11, 2012

100

Также важно расположение гидрохимических отложений в верхней части крупного

седиментационного цикла, в литолого-фациальном составе которого преобладают породы, обладающие хорошими коллекторскими свойствами.

Эти факторы в совокупности с большой мощностью газопроницаемых осадочных пород создали благоприятные условия для свободной миграции углеводородов и их концентрации под непроницаемым покровом гидрохимических отложений. В Донбассе нижнепермские гидрохимические образования развиты в его северо-западной части в границах Бахмутской и Кальмиус-Торецкой котловин (рис. 5).

В структурном строении Бахмутской и Кальмиус-Торецкой котловин принимают участие три этажа: палеозойский, мезозойский и кайнозойский. Мезозойский и кайнозойский структурные этажи являются неперспективными в отношении геологического хранения СО2.

Это обусловлено их небольшими мощностями (обычно не более 500 м) и залеганием в верхней части осадочного чехла без газонепроницаемой покрышки. Палеозойский структурный этаж, залегающий под покровом мезозойских и кайнозойских отложений, является перспективным в отношении изучения возможностей геологического хранения СО2.

Это подтверждается его высокой потенциальной газоносностью, установленной в результате многочисленных исследований и разнонаправленных геологоразведочных работ. Так, например, анализ геологического строения и газоносности северного борта Бахмутской котловины, выполненный в УкрНИИгаз, показал, что из трех структурных этажей (палеозойского, мезозойского и кайнозойского) потенциально газоносным является палеозойский [23].

Рис. 5. Геологическая схема домезозойских отложений северо-западной части Донецкого бассейна (a) и геологический разрез к ней (b).

LCOI-Review, No. 11, 2012

101

Палеозойский этаж Донбасса состоит из отложений пермской, каменноугольной и

девонской систем. Пермская система представлена нижним отделом в составе ассельского и сакмарского ярусов. Каменноугольная система представлена в полном объеме и представляет собой непрерывный разрез в основном угленосной толщи. Отложения девонской системы залегают на больших глубинах (обычно более 5 км) и выходят на поверхность в виде узкой полосы на юго-западной окраине Донбасса.

По литолого-фациальным особенностям в Донбассе выделяются региональные стратиграфические подразделения – свиты. Отдельные свиты нижнепермского возраста состоят преимущественно из гидрохимических газонепроницаемых пород. Свиты верхнего и среднего карбона (пенсильваний) состоят главным образом из осадочных терригенных угленосных отложений (песчаников, алевролитов, аргиллитов) с подчиненными пластами известняков и каменных углей. Свиты нижней перми, пенсильвания с терригенным составом структурно залегают ниже гидрохимических отложений.

В общем разрезе нижнепермских отложений Донбасса выделяются следующие свиты: картамышская (P1kr), никитовская (P1nk), славянская (P1sl) (ассельский ярус) и краматорская (P1km) (сакмарский ярус). Из них соленосными являются свиты P1sl и P1km, которые состоят преимущественно из осадочных гидрохимических пород – гипсов, ангидритов, каменной соли. Подчиненное значение имеют глинистые и карбонатные породы.

В границах Бахмутской котловины соленосные отложения достигают максимальной мощности и отмечаются площадной выдержанностью практически на всей её территории за исключением поднятий, где соленосные отложения отсутствуют (рис. 5). В разрезах свиты P1sl гипс, ангидрит и каменная соль образуют многочисленные пласты, которые часто чередуются между собой, иногда достигая мощности нескольких десятков метров. Наиболее мощные пласты каменной соли достигают мощности до 40-50 м. Общая мощность славянской свиты в Бахмутской котловине достигает до 500 м.

В отличие от Бахмутской, в Кальмиус-Торецкой котловине свита P1sl представлена в основном песчано-глинистыми отложениями, что снижает ее газоизоляционные возможности.

Свита P1km имеет ограниченное распространение в погруженных частях основных синклинальных структур северо-западной части Донбасса в пределах Бахмутской и Кальмиус-Торецкой котловин. В составе свиты P1km доминируют гидрохимические осадки, которые составляют 92% ее разреза, из них каменная соль составляет 80-85%. Максимальная мощность свиты наблюдается в Бахмутской котловине и составляет до 400-530 м. Суммарная мощность гидрохимических отложений в Бахмутской котловине достигает до 1000 м.

Между свитой P1sl, в которой преобладают соленосные отложения и свитой P1kr, состоящей преимущественно из терригенных отложений, расположена толща со смешанным составом. Эта толща выделяется в отдельную свиту – P1nk.

В составе свит верхнего и среднего карбона преобладают терригенные осадочные породы, большую долю которых составляют песчаники, алевролиты и аргиллиты. Эти породы характеризуются, как правило, хорошими коллекторскими свойствами, а некоторые горизонты обладают промышленной газоносностью.

Лучшими фильтрационно-емкостными параметрами среди палеозойских пород Донбасса обладают песчаники. Некоторые свиты верхнего и среднего карбона содержат в своем составе мощные горизонты песчаников, составляющие значительную часть их общего объема. Такими свитами являются: C3

3, C32, C2-3

1 (гжельский и касимовский ярусы), C27, C2

6, C2

5 (московский ярус), С24 (башкирский ярус).

Наибольшей долей песчаников в общем составе обладают свиты С24, С2

5, С26 и С3

2 (30-47% разреза), в других свитах среднего и верхнего карбона доля песчаников составляет 20-30%. Для сравнения: в свитах С2

1 и С22 (башкирский ярус) песчаники составляют лишь

16-20%. Как правило, песчаники в разрезе представлены маломощными прослоями и пластами, мощность которых достигает до 35-60 м (редко – до 100 м).

LCOI-Reviews, No. 11, 2012

102

Практически на всей территории Донецкого бассейна повышенная газоносность

отмечается в песчаниках нижней части свит С31 и С2

5 и верхней части свит С27 и С2

4, иногда С2

6 [24]. Полученные результаты анализа возможных участков геологического хранения СО2

были объединены в одну ГИС хранилищ СО2 (рис. 6), которая размещена на веб-сайте проекта и где показаны: Девонские соляные штоки; Пермские соленосные отложения; Каменноугольные угленосные отложения; Граница девонских соленых водоносных горизонтов; Южная граница распространения палеозойских осадочных отложений; Днепровско-Донецкий газо- и нефтеносный бассейн и Донецкий каменноугольный бассейн.

Рис. 6. ГИС возможных участков геологического хранения СО2

на востоке Украины. Критерии процесса хранения СО2 Важным моментом в оценке возможностей геологического хранения СО2 в любом

бассейне является определение количественных значений критериев процесса хранения. Такими критериями являются:

1.1. Коллекторские и газоемкостные параметры пород; 1.2. Проницаемость газоизоляционной покрышки; 1.3. Максимальная и минимальная глубина хранения СО2. Рассмотрим эти критерии более подробно. 1.1. Основными параметрами коллекторских и газоемкостных свойств песчаников

являются: открытая пористость, степень заполнения пор газом, влажность, проницаемость. Открытая пористость характеризует емкость песчаника, доступную флюидам и не отражает характера флюида. Можно сказать, что открытую пористость в отдельности можно использовать лишь в теоретических идеальных случаях, когда поровое пространство породы не заполнено водой и газом. В реальности на коллекторские свойства песчаников влияют и другие многочисленные факторы. Так, например, метановая газоносность песчаников находится в сильной зависимости от их влажности (обводненности) [25]. Средние значения открытой пористости песчаников Донбасса в разных районах варьируются в пределах 2-10% и зависят от размеров породообразующих зерен, степени их окатаности, стадии катагенеза, степени уплотнения.

LCOI-Review, No. 11, 2012

103

Результаты исследований по некоторым шахтам Донбасса показывают, что степенью

заполнения пор газом выше 50% (промышленная метановая газоносность) обладают песчаники с влажностью менее 2% и открытой пористостью в пределах 7-11% [25]. Открытая пористость песчаников верхнего карбона в бортовых частях Бахмутской и Кальмиус-Торецкой котловин составляет от 10-13% до 20-22% [24].

Необходимо отметить, что коллекторские свойства песчаников и других терригенных пород Донбасса в отношении углекислого газа пока остаются неизученными. Неизвестно, как будут зависеть СО2-емкостные свойства песчаников от вышеперечисленных параметров. Для оценки СО2-емкостных потенциалов песчаников Донбасса необходимо провести комплекс экспериментальных исследований.

1.2. Проницаемость покрышки определяется не только физическими свойствами слагающих пород, но также и ее целостностью. В случае нарушения пластов геологическими разломами их газоизоляционные свойства значительно снижаются.

1.3. Минимальная глубина хранения СО2 определяется давлением и температурой, при которых СО2 переходит в жидкую фазу и составляет примерно 800 м. Плотность СО2 при этих условиях будет находиться в пределах 50-80% от плотности воды, что сопоставимо с плотностью некоторых видов сырой нефти [5]. Это ограничение задает минимальную глубину залегания горизонтов коллекторов и совместно с другими критериями должно использоваться при определении перспективных участков для хранения СО2.

Однако следует учитывать, что это значение было получено в бассейнах с иными горно-геологическими условиями, и в Донецком бассейне глубина с сопоставимыми термо-барическими параметрами может быть другая. Максимальная глубина залегания коллектора определяется экономической рентабельностью и технологическими возможностями.

Варианты процессов нагнетания и хранения СО2 Среди возможных вариантов реализации процесса нагнетания и последующего

хранения СО2 в Донбассе предлагаются: 2.1. Нагнетание СО2 в негазоносные горизонты, обладающие свойствами

коллекторов. 2.2. Нагнетание СО2 в неразрабатываемые угольные пласты и вмещающие

угленосные породы для повышенного извлечения угольного метана (ПИМ). 2.3. Нагнетание СО2 в отработанные нефтегазоносные коллекторы. Рассмотрим каждый из этих вариантов более подробно. 2.1. В осадочной толще верхнего палеозоя Донбасса известны горизонты,

обладающие хорошими коллекторскими свойствами, но не обладающие газоносностью. Эти горизонты теоретически могут быть использованы в качестве коллекторов СО2.

2.2. На данный момент принимается, что промышленной газоносностью обладают породы, со степенью заполнения пор газом более 50%. Добывать газ из коллекторов с более низкими показателями газоносности экономически не выгодно, однако эта оценка может измениться в будущем при появлении новых технологий.

Одной из таких технологий является повышение извлечения метана (ПИМ) путем его вытеснения из углей и вмещающих горных пород нагнетаемым через скважины сжатым CO2 [5]. При этом решаются две важные задачи: повышение дебита природного газа-метана и утилизация СО2. В случае экономической рентабельности процесса непромышленные газовые проявления (со степенью заполнения пор газом менее 50%) могут котироваться как месторождения.

Нижний предел газоносности для таких месторождений будет определяться рентабельностью их разработки с применением ПИМ. В условиях Донбасса потенциальным регионом для изучения возможности ПИМ, являются Западный и Южный Донбасс, а также Красноармейский угленосный район в их границах, где отсутствуют горные выработки.

LCOI-Reviews, No. 11, 2012

104

При разработке газовых месторождений угольных бассейнов со временем также

неизбежно их истощение и прекращение добычи. При этом доля газа, оставшегося в коллекторе может быть достаточно велика. Повышение дебита метана истощенных горизонтов с применением ПИМ может продлить срок их эксплуатации и повысить извлечение газа.

2.3. Полностью отработанные горизонты часто используются в качестве временных хранилищ природного газа. Такие хранилища могут использоваться для долговременного хранения СО2. Учитывая то, что разработка метана из угольных месторождений Донбасса находится на начальной стадии, реализация этого варианта возможна в будущем при высоком уровне развития метанодобывающей отрасли в регионе.

Варианты 2.1 и 2.2 являются актуальным на данный момент, особенно учитывая то, что в Донбассе известны горизонты песчаников со значительными запасами газа, не являющимися промышленными, а также песчаников и алевролитов, не обладающих высокой метановой газоносностью.

Согласно новейшим данным, общий газоносный потенциал только одной Бахмутской котловины может достигать до 200 млрд м3 природного газа [23], в связи с чем ПИМ является одним из самых перспективных направлений геологического хранения СО2 в окраинных частях Донбасса.

Рекомендации по выделению участков хранения СО2 Предлагается следующая последовательность действий при выделении

перспективных участков размещения геологических участков долговременного хранения СО2 на территории востока Украины:

3.1. Выделение площадей, в разрезе которых присутствуют породы – коллекторы (песчаники и алевролиты), залегающие на глубинах 800 м и более, перекрытые изолирующей толщей пород.

3.2. Построение литологических колонок с выделением перспективных горизонтов – коллекторов.

3.3. Построение карт поверхности выделенных горизонтов. Оконтуривание площадей горизонтов, залегающих ниже глубины 800 м.

3.4. Нанесение на карту контуров шахтных полей, площадей месторождений, подземных горных выработок, геологоразведочных и эксплуатационных скважин и всех имеющихся структурных элементов (тектонических нарушений, соляных штоков, интрузивных тел и др.).

3.5. Анализ полученных данных, оконтуривание перспективных участков. Далее следует этап, включающий аналитические исследования коллекторских свойств

каждого горизонта на разных глубинах, минералого-петрографические анализы пород, слагающих горизонт, изучение гидродинамических, гидрогеологических и структурно-теконических особенностей всей толщи до глубины предполагаемого хранения. На основании этих данных можно проводить подсчет емкости коллекторов.

Только после того, как будет выполнен полный комплекс исследований, сделаны выводы о пригодности выделенных горизонтов для долговременного хранения СО2, а главное – заключения экологических служб о безопасности процесса закачивания и хранения СО2 для окружающей среды и людей, можно будет переходить к этапу подготовки экспериментальных исследований.

Исходя из результатов зарубежных работ по геологическому хранению СО2 и особенностей геологического строения Донецкого бассейна, предлагаются районы (Новомосковский, Петриковский, Лозовской, Старобельский и Северо-западные окраины Донбасса ) для дальнейшего изучения их потенциала геологического хранения СО2.

С позиции геолого-промышленного районирования Донбасса их можно разбить на две большие группы:

LCOI-Review, No. 11, 2012

105

1. Северо-западные окраины Донбасса (Бахмутская и Кальмиус-Торецкая котловины

и прилегающие к ним участки). 2. Угленосные районы без промышленного освоения (Старобельский, Лозовской,

Петриковский, Новомосковский). На территориях этих районов развиты свиты среднего-верхнего карбона, содержащие

в своем составе мощные горизонты песчаников и алевролитов. В пределах Северо-западных окраин Донбасса в границах Бахмутской и Кальмиус-Торецкой котловин находится мощная изолирующая покрышка соленосных отложений нижней перми.

Согласно данным бурения и геофизических исследований, непосредственно под газонепроницаемыми породами залегает мощная терригенная угленосная толща верхнего - среднего карбона, которая содержит пласты пород, обладающих хорошими коллекторскими свойствами, в ряде случаев – метановой газоносностью, а также пласты каменного угля.

Важным моментом также является то, что из-за большой мощности покрывающих пермских и мезо-кайнозойских отложений на территориях Бахмутской и Кальмиус-Торецкой котловин, угольные пласты там не разрабатываются. В юго-восточной части Бахмутской котловины каменную соль славянской свиты разрабатывают подземным способом.

В Донецком бассейне, в том числе в Бахмутской и Кальмиус-Торецкой котловинах есть участки, осложненные многочисленными тектоническими нарушениями, которые нарушают целостность горного массива и газонепроницаемой покрышки, создают возможность миграции жидких и газообразных веществ к поверхности земли.

Кроме тектонических нарушений в северо-западной части Бахмутской котловины развиты соляно-купольные структуры девонского возраста, которые прорывают вышележащие отложения палеозоя и мезозоя и в комплексе с тектоническими нарушениями также служат зонами миграции жидких и газообразных веществ к поверхности земли.

В связи с этим дальнейшие количественные оценки возможностей геологического хранения СО2 в Донбассе следует проводить с учетом тщательного анализа их структурно-тектонического строения.

Суммируя результаты всех этих предварительных исследований [26-39], которые основаны на информации из открытых источников, была построена географическая схема расположения кластеров источников эмиссии СО2, участков возможного геологического хранения сверхкритического СО2 и ориентировочные направления транспортировки СО2 от источников эмиссии к резервуарам хранения (рис. 7), где желтыми штрихованными овалами отмечены условные кластеры источников СО2, от которых синими стрелками указаны ориентировочные направления транспортировки СО2 к предполагаемым участкам хранения – коричневым штрихпунктирным овалам.

Также черными квадратами показаны места расположения действующих угольных шахт [16], вблизи которых принципиально нельзя размещать резервуары хранения СО2. В связи с этим необходимо также провести прогноз всех возможностей миграции СО2 и предотвращения его проникания в горные выработки. Первичным методов мониторинга утечек СО2 обычно выбирается реакция растений на повышение концентрации СО2 в почве и приземном слое атмосфере [33]. Более конкретные границы участков хранения и пути транспортировки СО2 определятся после тщательных геологических, экологических и социальных условий Донбасса.

Выводы На основании вышеизложенного материала был составлен следующий перечень

первостепенных задач, которые необходимо решить для количественной оценки возможностей геологического хранения СО2 в Донбассе:

1. Определение количественных значений критериев процесса геологического хранения СО2 с учетом горно-геологических и гидрогеологических условий геологических районов Донбасса и его окраин.

LCOI-Reviews, No. 11, 2012

106

2. Выделение наиболее перспективных участков – потенциальных полигонов. 3. Выполнение геохимического, структурно-тектонического и гидрогеологического

анализов перспективных участков с целью определения количественных величин фильтрационно-емкостных параметров осадочных пород и выделения газовых ловушек – потенциальных резервуаров СО2.

4. Анализ и обобщение полученных результатов, выделение эффективных горизонтов-коллекторов в границах перспективных участков и подсчет их емкостного СО2–потенциала путем определения пористости пород, выбранных для хранения, методом рентгеновской томографии на синхротроне.

Решение этих задач позволит оценить не только емкостной СО2-потенциал Донецкого бассейна и его окраин, а и обосновать возможности повышения выхода метана в процессах начавшегося промышленного освоения газовых ресурсов Донбасса.

Рис. 7 Географическая схема расположения кластеров источников эмиссии СО2,

участков возможного геологического хранения сверхкритического СО2 и ориентировочные направления транспортировки СО2 от источников эмиссии к резервуарам геологического хранения.

Список использованной литературы 1. Climate Change: The IPCC Response Strategies. – World Meteorological Organization /

United Nations Environment Program: Intergovernmental Panel on Climate Change, 1990. – 332 p. 2. Доклад о мировом развитии – 2010: Развитие и изменение климата. –

Международный банк реконструкции и развития / Всемирный банк, 2010. – 40 с. 3. Stern N. The Economics of Climate Change: The Stern Review. – Cambridge, UK:

Cambridge University Press, 2007. – 662 p.

LCOI-Review, No. 11, 2012

107

4. Impact of the financial crisis on carbon economics: Version 2.1 of the Global Greenhouse Gas Abatement Cost Curve. – McKinsey & Company, 2010. – 14 p.

5. Специальный доклад Межправительственной группы экспертов по изменению климата – Улавливание и хранение двуокиси углерода / Резюме для лиц, определяющих политику и Техническое резюме. – МГЭИК, 2005. – 58 с.

6. Обзор технологий улавливания и хранения углерода: возможности, препятствия, экономические аспекты и роль, рекомендуемая для ЕЭК ООН. – Организация объединенных наций / Европейская экономическая комиссия / Комитет по устойчивой энергетике (ECE/ENERGY/2006/5), 2006. – 27 с.

7. Technology Roadmap – Carbon capture and storage. – International Energy Agency, 2010. – 52 p.

8. Национальный кадастр антропогенных выбросов из источников и абсорбции поглотителями парниковых газов в Украине за 1990-2010 гг. – Киев: Государственное агенство экологических инвестиций Украины, 2012. – 729 с.

9. Енергетична стратегія України на період до 2030 року / Схвалена розпорядженням Кабінету Міністрів України від 15 березня 2006 р. № 145-р. – 129 с.

10. Trends in global CO2 emission: 2012 Report. – Netherlands Environmental Assessment Agency, 2012. – 40 p.

11. Статистичний щорічник України за 2010 рік / За редакцією О.Г. Осауленка. – Київ: Державна служба статистики України, 2011. – 560 с.

12. Довкілля України: Статистичний збірник - 2010 / За редакцією Н.С. Власенко. – Київ: Державна служба статистики України, 2011. – 205 с.

13. IEA – International Energy Agency. – [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.iea.org.

14. BELLONA – The Bellona Foundation. – [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://bellona.org.

15. CARMA – Carbon Monitoring for Action. – [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://carma.org.

16. DTEK Holdings B.V. (ООО «ДТЭК»). – [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.dtek.com.

17. Project “Low-Carbon Opportunities for Industrial Regions of Ukraine (LCOIR-UA)”. – [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.lcoir-ua.eu.

18. National Joint Stock Company “Energy Company of Ukraine” (НАК «Енергетична компанія України»). – [Электронный ресурс]. – Режим доступа: – http://www.ecu.gov.ua.

19. Gunter W.D., Mavor M.J., Robinson J.R. CO2 Storage and enhanced methane production: field testing at Fenn-Big Valley, Alberta, Canada. – [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://uregina.ca.

20. The Sleipner Project and Monitoring Experiences. – [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://ns.energyresearch.ca.

21. EA Weyburn CO2 Monitoring and Storage Project Weyburn, Saskatchewan, Canada. – [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.netl.doe.gov.

22. Горяйов С., Лакоба М., Павлов С. Оценка перспектив газоносности новых литологических ловушек на северном борту Бахмутской котловины // Геолог Украины, 2011, №2 (34). - С. 99-102.

23. Жикаляк М. Неосвоенные газовые ресурсы песчаников Донбасса с низкой проницаемостью // Геолог Украины, 2011, №2 (34). - С. 103-107.

24. Шкуро Л.Л., Горбачева Г.Н. Оценка газоносности песчаников в горных выработках, с учетом показателей пористости и влажности // Геотехническая механика, 2010, № 88. - С. 118-123.

25. Баранов В.А. Влияние структуры на пористость песчаников Донбасса // Геотехническая механика, 2010, № 88. - С. 70-76.

LCOI-Reviews, No. 11, 2012

108

26. Shestavin M.S., Leynet A.P. New Ukraine-French Project “Low-Carbon Opportunities

for Industrial Regions of Ukraine” (LCOIR-UA) // The Proceedings of the International Conference on Carbon Reduction Technologies, Polish Jurassic Highland, Poland, September 19-22, 2011. – Gliwice, 2011. – P. 167-168.

27. Беспалова С.В., Шеставин М.С. Низько-вуглецеві можливості для індуст-ріальних регіонів України: адаптація європейського досвіду // Збірка статей учасників VII Всеукраїнської науково-практичної конференції «Охорона навколишнього середовища промислових регіонів як умова сталого розвитку України», Запорізька державна інженерна академія, 15 грудня 2011 р. – Запоріжжя: Видавництво ЗДІА, 2011. – С. 28-32.

28. Шеставин М. Україна та ЄС шукають можливості зменшення викидів парникових газів // ЄВРОБЮЛЕТЕНЬ, 2011, № 11. – С. 12-13.

29. Жикаляк Н.В., Осетров В.В. Геологические перспективы хранения СО2 в палеозойских осадочных отложениях Донбасса // Збірка доповідей національного екологічного форуму „Екологія промислового регіону”, том 1. – Донецьк: Державне підприємство „Донецький екологічний інститут”, 2012. – С. 50 – 53.

30. Бескровная М.В., Осетров В.В., Шеставин Н.С. Перспективы улавливания и геологического хранения СО2 в Донбассе // Там же, том 1. – С. 105 – 106.

31. Сафонов А.И. Использование растительных организмов для диагностики концентрации углекислого газа в природных средах // Там же, том 2. – С. 173 – 174.

32. Бескровная М.В., Осетров В.В., Шеставин Н.С. Применение геоинформацион-ных систем для инвентаризации источников загрязнения и участков хранения диоксида углерода // Вісник Запорізького національного університету: Збірка наукових праць. Біологічні науки. – Запоріжжя: Видавництво ЗНУ, 2012, № 2. – С. 104-108.

33. Беспалова С.В., Жикаляк Н.В., Осетров В.В., Шеставин Н.С. Улавливание и геологическое хранение диоксида углерода как перспектива для энергетики Украины // Современная наука: исследования, идеи, результаты, технологии. Сборник научных статей. – Киев: «НПВК Триакон», 2012, Выпуск 3(11). – С. 107-113.

34. Беспалова С.В., Жикаляк Н.В., Осетров В.В., Шеставин Н.С. Оценка возмож-ностей улавливания и хранения СО2 в палеозойских осадочных отложениях Донбасса // Современные проблемы литологии осадочных бассейнов Украины и сопредельных территорий. Сборник материалов международной научной конференции, 8-13 октября 2012, Кие, Украина. – Киев: Институт геологических наук НАН Украины. – 2012. – С. 18.

35. Беспалова С.В., Жикаляк Н.В., Осетров В.В., Шеставин Н.С. Оценка потенциала хранения СО2 в палеозойских осадочных отложениях Донбасса // Збірник наукових праць Інституту геологічних наук НАН України, вип.5, 2012 (у друку).

36. Shestavin M. Capabilities Sequestration Anthropogenic Emissions from Low Fugitive Sources // Proceedings of the XXXII International Scientific and Practical Conference “Models and methods of solving formal and applied scientific issues in physico-mathematical, technical and chemical research”: Great Britain: London, September 20-25, 2012 (in print).

37. Shestavin M.S., Bezkrovna M.V., Osetrov V.V., Yurchenko V.V. / Preliminary Assessment of the Potential CO2 Sources and Sinks of the Eastern Ukraine // Proceedings of the Virtual International Conference on Advanced Research in Scientific Fields 2012: Slovakia, Bratislava, December 3-7, 2012 (in print).

38. Savkevych O., Bespalova S., Shestavin M. / Critical Comparison of “Green Growth” and “Carbon Footprint” Theories: Analysis the Practices of Introduction of Open Low-Carbon Innovations an Instrument for Climate Stabilization // Proceedings of the Euroacademia Global Forum of Critical Studies: Czech Republic, Prague, 13-15 December 2012 (in print).

39. Осетров В.В., Шеставин Н.С. Юрченко В.В. / Оценка возможностей геологичес-кого хранения СО2 в осадочных отложениях Донбасса // Современная наука: актуальные проблемы теории и практики – Серия «Естественные и технические науки», вып. 6, 2012 (в печати).

LCOI-Review, No. 11, 2012

109

ABSTRACTS

Bespalova S.V. Results of the International Scientific and Practical Symposium “LOW-CARBON OPEN INNOVATION FOR REGIONS OF UKRAINE” Summed up the results of the 2 activities of the International Scientific and Practical Symposium: Round Table meeting held October 23, 2012, and Internet Conference held November 29, 2012 Antsiferov A.V., Kyselov M.M., Tumanov V.V., Filatov V.F. Optimization of Underground Storage of CO2 for the Monitoring of the State of a Complex of Geophysical Methods Complex of geophysical techniques is proposed to improve disposal of subsurface CO2 storages in industrial regions in Ukraine and monitor their conditions during service. Beskrovnaya M.V., Yurchenko V.V., Kobchenko M. Determination of Porosity of the Rocks, the Potential for Geological Storage of CO2, According to the Data of X-Ray Tomography on the Synchrotron In order to study the porosity of sand stone rock samples obtained from the wells drilled within Belyaevsky dome close to the township of Belyaevka of Pervomaysky District, Kharkov Region have been used. With the use of Avizo Fire software 4 samples with two- and ten-fold magnification have been studied. Porosity values obtained are equal approximately to 3% that allows to make a conclusion on a promising future use of sedimentary deposits of Donbass area for long-term СО2 storage. Bodryaga V.V., Nedopekin F.V., Kravets V.A., Nasanova Y.V. Ecological Recycling Problem of Graphite Ripe at Metallurgical Plants Ecological problem of graphite dust recycling at metallurgical plants is considered. The graphite dust properties are studied. The existing of technologies enrichment of graphite dust are analyzed. Bondarenko I.V. Greening of Agricultural Machinery Innovation Offered without fuel unit “Krugorob” for agricultural work, which takes into account the change of the existing planning of agricultural fields from the traditional forms (often rectangular) to round. Also, one of the basic principles of designing the device “Krugorob” is a priority energoavtonomnosti device, which is achieved by applying the concept of MPA power generating systems. Vysotsky S.P. Choice of Ways to Reduce Carbon Emissions Basic way of green house gases emission (GHG) reduction is considered. The capture of carbonic gas technology, its transport and burial increases substantially energy cost. The emission reduction GHG perspective directions are renewable energy recourses use and more effective technology of heat and electricity generation. Zrobok Y.Y. Analysis and Perspectives of New Technologies in Energy Solid and Ways to Use Low Grade Energy Fuels This article be considered the problem of the use of obsolete technologies in thermal energy. Need an immediate solution to the economic and environmental issues, using the latest technology in teploenergetichal industry and the significant reduction of emissions of CO2 due to the conversion of combustion products.

LCOI-Reviews, No. 11, 2012

110

Inshekov E.M., Kovalchuk A.M. Kokorina M.T. Atlas Priority Low-Carb Energy Generation Technologies Based on Renewable and Alternative Energy Sources for the Regions of Ukraine Selection of optimal technologies for distributed energy sources use is an important step towards efficient energy supply. The article presents evaluation process of electricity and / or thermal energy generation technologies from alternative and renewable sources of energy based on multiply criteria. Calculations of the relative priorities of technologies based on passport data, technical and economic parameters, energy sources potential and expert evaluation of the criteria using the analytic hierarchy process (AHP). Kazak O.V., Shestavin M.S. About Possibility to Use Air Slagheap for Dust and Carbon Dioxide Capture on Cities Crossroads The work is devoted to preliminary analyze of possibility to use air slagheap for air cleaning from carbon dioxide and other impurities of air at big cities crossroads. The analysis of exist wind tower is worked out. The necessary and possibility of usage this installation for air cleaning is proved. Luchina A.Y., Beskrovnaya M.V. Application Possibility of Process ANAMMOX for the Reductions of CO2 Emissions from Biological Wastewater Treatment The application possibilities of new process ANAMMOX for mineral nitrogen removal from sewages of Donetsk have been determined. The communication waste disposal plants state has been analyzed. Recommendations for the reconstruction of existing treatment plants to reduce emissions of CO2, CH4, N2O, which are formed as a result of biological wastewater treatment, are proposed. Osetrov V.V. Geological Storage of CO2 Prospects in Paleozoic Sedimentary Deposits of Donbass The analysis of the features of the geological structure of the Donetsk coal basin and the eastern part of the Dnieper-Donets Basin from the position options for geological storage of CO2. Identify potential areas for further study of reservoir properties for long-term storage of CO2 storage process quantitative criteria, as well as a possible implementation of the process of pumping and subsequent CO2 storage in the Donbass. Savkevich A.V., Chebotova E.N., Shestavin M.S. A Critical Comparison of Theories of “Limits to Growth”, “Green Growth” and “Carbon Footprint”: the Practice of Introducing Low-Carbon Open Innovation as Instrument for Climate Stabilization Comparison of the results of implementation in different countries of the two theories: the "green growth" and "carbon footprint" - shows the validity of the conclusions of the report was almost forgotten the Club of Rome "Limits to Growth". Modern economic development, energy and the environment based on the decisions of the report Nicholas Stern "The Economics of Climate Change" and research firm McKinsey & Company, which offer a transition to a "green" economy through the implementation of low-carbon technologies in all spheres of human activity. These technologies can provide sustainable economic growth, but it is not actually considered "carbon and ecological footprint" of these technologies from the production stage to the operational stage for large-scale implementation of a number of countries or around the world. On a number of practical examples of implementation of renewable energy technologies and the capture and storage of carbon dioxide shows a contradiction between economic growth and environmental (climatic) consequences of their implementation. Asked to go to the principles of open innovation to bring to addressing climate stabilization of the intellectual potential of humanity. The necessity

LCOI-Review, No. 11, 2012

111

of returning to the paradigm of "limits to growth" in all spheres of human activity as an alternative path of human development. Safonov A.I. Biomonitoring Methods Possible Leakage of CO2 from the Storage The results of the review of recent publications on the effects fitoindication elevated concentrations of carbon dioxide in the environment. Identify possible programs biomonitoring character at the Departments of Faculty of Biology at Donetsk National University. Semko O.M, Bezkrovna M.V., Ukrainskyi Y.D, Vinogradov S.A., Gritsyna I.M. Quenching Gas Flares Pulsed High Speed Liquid Jets Experimental studies of putting out of gas blowout by means of high-speed impulse liquid jets generated by a powder pulse-jet water canon have been carried out. The speed of impulse jet depending on charge energy ranged in the experiments from 300-600 m/s. The speed of the head section of the jet has been measured directly before the torch by means of a non-contact laser speed measuring device, the jet photographing has been carried out. It has been shown that around the high-speed liquid impulse jet in the air is formed a high-speed cloud of large cross-section splashes that efficiently knocks down the flame of the gas torch at distances of 5-20 m from the unit. Steblyna M.A. Choosing Safety Criteria for Extracting Parts of the Capsule by Ultrasound The basic methods of utilization of ammunitions with past shelf-lives, including unitary cartridges are considered. The new ultrasonic method of utilization of capsule - igniting is offered. Essence of method consists in the decline of sensitiveness of explosive to influence a friction, blow. Shown out and calculated criterion of safety during utilization this method. Tarariko Y.O., Kozachenko O.A. Prospects Agrosphere Ukraine on the Basis of Low-Carbon In order to improve the branch structure of the agricultural complex area of 20 thousand hectares of the analysis of promising scenarios of its development. It is shown that the integrated use of advanced technological capabilities and creating a chain of non-waste production cycles enables to distribute optimally of organic carbon is plant biomass between food, energy and soil with a concomitant shift to bio-organic farming systems. Proved that the development of agricultural production systems based on bioenergy provides the rational use of agro-resources potential of agricultural areas, a significant strengthening of energy independence and food security of the state. Timoshenko N.S, Semko O.M, Timoshenko S.M. Reduction of Carbon Dioxde Emassion from Electric Arc Furnage on Basis of Advanced Off Gas Removal System Generation of dust-laden gas in electric arc furnaces and its physical and chemical parameters are considered. Construction of exhaust duct with distributed suction system is proposed in order to reduce suction intensity of dust, carbon dioxide and other gases from the furnace. Using the application package CosmosFloWorks in SolidWorks software, numerical simulations of advanced off gas removal system of modern 120- ton electric arc furnace has been done. It shows reduction of carbon dioxide emissions by 2.5 kg per ton of steel. Fomenko V.G., Filipenko S.I. Prospects for the Development of Low Power in Pridnestrovii The article deals with the background and prospects of small types of alternative power in the Pridnestrovii region. Characterized the territorial organization of the regional energy sector as a

LCOI-Reviews, No. 11, 2012

112

whole, as well as an assessment of the benefits of separate directions mini-power. Analyzed the economic efficiency and environmental feasibility of construction and operation of alternative stations in the region. Shapar A.G., Skrypnyk O.A. Reducing Greenhouse Gas Emission by Formation of Secondary Ecosystems on the Lands, Changes in Human Impact Formation of secondary soil and vegetation in disturbed by mining lands, loss of reservoirs and vegetation restoration Dnieper valley, recovery of productivity land degradation (eroded, saline, sandy) are able to deposit carbon emissions Ukrainian industry and reduce global greenhouse effect. Shestavin M.S. Assessment of the Potential Sources and Sinks of CO2 in Eastern Ukraine: Promising Directions of Transport CO2 Made on the basis of data from open sources of information to explore the potential of emission and absorption of CO2 in the eastern regions of Ukraine's possible to create geographic information systems on the main sources of CO2 emissions, and possible areas of geological storage of CO2. A combination of these systems, identify promising directions of transport of CO2 from clusters of firms to organize storage areas.

LCOI-Review, No. 11, 2012

113

АНОТАЦІЇ

Беспалова С.В. Результати роботи Міжнародного науково-практичного симпозіуму „НИЗЬКО-ВУГЛЕЦЕВІ ВІДКРИТІ ІННОВАЦІЇ ДЛЯ РЕГІОНІВ УКРАЇНИ” Підведено результати роботи 2-х заходів Міжнародного науково-практичного симпозіуму: круглого столу, який відбувся 23 жовтня 2012 р., та Інтернет-конференції, що пройшла 29 листопада 2012 р. Анциферов А.В., Кисельов М.М., Туманов В.В., Філатов В.Ф. Оптимізація розміщення підземних сховищ СО2 і забезпечення моніторингу їх стану комплексом геофізичних методів Запропоновано використання комплексу геофізичних методів для оптимізації розміщення підземних сховищ СО2 в індустріальних регіонах України та моніторингу їхнього стану у процесі експлуатації. Безкровна М.В., Юрченко В.В., Kобченко М. Визначення пористості гірських порід, перспективних для геологічного зберігання СО2, за даними рентгенівської томографії на синхротроні Для досліджень пористості пісковиків були використані зразки, взяті зі свердловин, пробурених в межах Біляївського купола поблизу с. Біляївка, Харківської області. Використовуючи програмне забезпечення Avizo Fire, було досліджено 4 зразка при двократному і десятикратному збільшенні. Отримані значення пористості, близько 3%, дозволяють зробити висновок про перспективність використання осадових відкладень Донбасу для довготривалого зберігання СО2. Бодряга В.В., Недопьокін Ф.В., Кравець В.А., Насанова Ю.В. Екологічна проблема утилізації пилу, який містить графіт, на металургійних підприємствах Розглядається екологічна проблема утилізації графітним пилу на металургійних підприємствах. Дослідження властивостей пилу, який містить графіт, і аналіз існуючих технологій збагачення графітового пилу. Бондаренко І.В. Про екологізацію інновацій аграрних машин Запропоновано безпаливної агрегат «Кругороб» для проведення сільськогосподарських робіт, у якому враховується зміна існуючого планування сільськогосподарських полів від традиційної форми (часто прямокутної) на округлу. Також, одним з основних принципів проектування апарату «Кругороб», є пріоритетність енергоавтономності пристрою, яка досягається шляхом застосування концепції МРА енергогенеруючих систем. Висоцький С.П. Вибір напрямків зниження емісії вуглекислого газу Розглянуто основні шляхи зниження емісії парникових газів. Використання технологій уловлювання діоксиду вуглецю, його транспортування і захоронення призводить до суттєвого підвищення вартості електроенергії. Перспективними напрямами для зниження емісії двоокису вуглецю є застосування поновлюваних енергоресурсів і більш ефективних технологій генерації теплової та електричної енергії.

LCOI-Reviews, No. 11, 2012

114

Зробок Я.Я. Аналіз та перспективи використання нових технологій в твердопаливній енергетиці та шляхи використання низькосортних енергетичних палив У даній статті розглянуто проблеми використання застарілих технологій у тепловій енергетиці. Потреби негайного вирішення економічних та екологічних питань, використавши новітні технології в теплоенергетичній галузі та значне зменшення емісії СО2 за рахунок конверсії продуктів згоряння. Іншеков Є.М., Ковальчук А.М., Кокоріна М.Т. Атлас пріоритетних низьковуглеводних технологій генерації енергії на основі відновлюваних та нетрадиційних джерел енергії для регіонів України Вибір оптимальних технологій використання розосереджених джерел енергії є важливим кроком на шляху до ефективного енергозабезпечення. В роботі проводиться оцінювання технологій виробництва електричної та/або теплової енергії з нетрадиційних та відновлюваних джерел енергії за багатьма критеріями. Розрахунки відносних пріоритетів технологій проводяться на основі паспортних даних, техніко-економічних показників, потенціалу джерела енергії та експертних оцінок щодо важливості критеріїв оцінювання технологій з використанням методу аналізу ієрархій (МАІ). Казак О.В., Шеставін М.С. Про можливість використання повітряного терикона для уловлювання пилу та вуглекислого газу на перехрестях автомобільних доріг Робота присвячена попередньому аналізу можливості використання повітряних териконів для вилучення вуглекислого газу та інших шкідливих домішок з повітря на перехрестях автомобільних доріг великих міст. Проведений аналіз існуючих проектів повітряних башт для отримання екологічно чистої енергії. Підтверджена необхідність та можливість використання таких споруд для очищення повітря. Лучина А.Ю., Безкровна М.В. Можливості застосування процесу ANAMMOX для зменшення викидів СО2 в результаті біологічного очищення стічних вод Визначаються можливості застосування нового процесу виявлення ANAMMOX для видалення мінерального азоту із стічних вод Донецької області. Проаналізовано стан комунікаційних очисних споруд. Запропоновано рекомендації щодо реконструкції існуючих очисних станцій з метою зниження викидів СО2, СН4, N2O, які утворюються в результаті біологічного очищення стічних вод. Осетров В.В. Геологічні перспективи зберігання СО2 в палеозойських осадових відкладенях ДонбасуПроведено аналіз особливостей геологічної будови Донецького кам'яновугільного басейну та східної частини Дніпровсько-Донецької западини з позиції можливостей геологічного зберігання СО2. Визначено потенційні місця для подальшого вивчення їх колекторських властивостей для довгострокового зберігання СО2, кількісні критерії процесу зберігання, а так само можливі варіанти реалізації процесу нагнітання і подальшого зберігання СО2 в Донбасі. Савкевіч А.В., Чеботова Е.Н., Шеставін Н.С. Критичне порівняння теорій «Меж росту», «Зеленого зростання» і «Вуглецевого сліду»: практика впровадження низько-вуглецевих відкритих інновацій як інструментів стабілізації клімату

LCOI-Review, No. 11, 2012

115

Зіставлення результатів впровадження в різних країнах двох теорій: «Зеленого Роста» і «вуглецевий слід», - показує актуальність висновків майже забутого доповіді Римського клубу "Limits to Growth". Сучасний розвиток Економіки, Енергетики і Навколишнього середовища грунтується на рішеннях доповіді Nicholas Stern "The Economics of Climate Change" та дослідженнях фірми McKinsey & Company, які пропонують перехід до "зеленої" економіки шляхом впровадження низько-вуглецевих технологій в усі сфери людської діяльності. Такі технології можуть забезпечити стабільне економічне зростання, але при цьому фактично не враховується «вуглецевий та екологічний слід» цих технологій: від стадії виготовлення до стадії експлуатації при широкомасштабному впровадженні їх у ряді країн або у всьому світі. На ряді практичних прикладів впровадження технологій поновлюваних джерел енергії та технологій уловлювання та зберігання діоксиду вуглецю показані виникаючі протиріччя між економічним зростанням і екологічними (кліматичними) наслідками їх впровадження. Запропоновано перейти до принципів відкритих інновацій для залучення до вирішення проблем стабілізації клімату всього інтелектуального потенціалу людства. Обгрунтовано необхідність повернення до парадигми «меж зростання» у всіх сферах діяльності людини як альтернативного шляху розвитку людства. Сафонов А.І. Методи біомоніторингу можливих витоків СО2 зі сховищ Представлено результати огляду сучасних публікацій про фітоіндікаціонні ефекти підвищених концентрацій вуглекислого газу в навколишньому середовищі. Виділено можливості реалізації програм біомоніторінгового характеру на базі кафедр біологічного факультету Донецького національного університету. Семко О.М., Безкровна М.В., Український Ю.Д., Виноградов С.А., Грицина І.М. Гасіння газових факелів імпульсними струменями рідини високій швидкості Проведено експериментальні дослідження гасіння газового факелу за допомогою імпульсних струменів рідини високої швидкості, які генеруються пороховим імпульсним водометом. Швидкість імпульсної струменя в залежності від енергії заряду в експериментах досягала 300-600 м/с. За допомогою лазерного безконтактного вимірювача швидкості вимірювалася швидкість голови струменя безпосередньо перед факелом, проводилося фотографування струменя. Показано, що навколо імпульсного струменя рідини високої швидкості в повітрі утворюється високошвидкісна хмара бризок великого поперечного перерізу, яке ефективно збиває полум'я газового факела на відстанях 5-20 м від установки. Стеблина М.О. Вибір критерія безпеки при витяганні складових частин капсуля методом ультразвукової дії Розглянуті основні методи утилізації боєприпасів з закінченим терміном зберігання, у тому числі і унітарних патронів. Запропонований новий ультразвуковий метод утилізації капсулей-запальників. Суть методу полягає в зниженні чутливості вибухової речовини до дії тертям, ударом і наколюванням. Виведений і підрахований критерій безпеки при утилізації даним методом. Тараріко Ю.О., Козаченко О.А. Перспективи розвитку агросфери України на низько-вуглецевій основі На основі оцінки галузевої структури сільськогосподарського комплексу площею 20 тис. га опрацьовано перспективні сценарії його розвитку. Показано, що комплексне використання сучасних технологічних можливостей і створення ланцюгів безвідходних виробничих циклів дає змогу оптимально розподілити органічний вуглець рослинної біомаси між

LCOI-Reviews, No. 11, 2012

116

продовольством, енергоносіями і ґрунтом з супутнім переходом до біоорганічної системи землеробства. Формування аграрних виробничих систем на біоенергетичній основі дає змогу реалізувати агроресурсний потенціал сільськогосподарських територій, підвищити енергетичну незалежність і продовольчу безпеку держави. Тімошенко Н.С., Семко О.М., Тімошенко С.Н. Зниження викидів вуглекислого газу із дугової сталеплавильної печі на основі вдосконалення системи газовидалення У роботі досліджуються особливості утворення та фізико-хімічні параметри пило газової середи у робочому просторі електродугових печей. Для зниження інтенсивності виносу пилу, СО2 та інших технологічних газів із печі було запропоновано конструкцію витяжного газоходу з рівномірним відбором газу. Використовуючи пакет прикладних програм CosmosFloWorks у середовищі SolidWorks виконано чисельне моделювання вдосконаленої системи газовиділення сучасної 120-т дугової печі, яке показує зниження викидів вуглекислого газу із печі на 2,5 кг/т сталі. Фоменко В.Г., Філіпенко С.І. Перспективи розвитку малої електроенергетики в Придністров'ї У статті розглядаються передумови та перспективи розвитку малих типів альтернативних електростанцій на території Придністровського регіону. Характеризується територіальна організація регіонального паливно-енергетичного комплексу в цілому, а також дається оцінка переваг окремих напрямків міні-енергетики. Аналізуються економічна ефективність та екологічна доцільність будівництва та експлуатації альтернативних станцій в регіоні. Шапар А.Г., Скрипник О.О. Скорочення емісії парникових газів шляхом формування вторинних екосистем на землях, змінених в результаті антропогенних впливів Формування вторинних грунтів і рослинності на порушених гірничими роботами землях, скорочення площі водосховищ та відтворення рослинності долини Дніпра, відновлення продуктивності деградoваних земель (еродованих, засолених, піщаних) здатні депонувати вуглець викидів промисловості України і знизити глобальний парниковий ефект. Шеставін Н.С. Оцінка потенціалу джерел і поглиначів СО2 на сході України: перспективні напрямки транспортування СО2 Проведені на основі даних з відкритих джерел інформації дослідження потенціалу емісії і поглинання СО2 в східних областях України дозволили створити географічні інформаційні системи за основними джерелами емісії СО2 і по можливим ділянкам геологічного зберігання СО2. Суміщенням цих систем визначаються перспективні напрями транспортування СО2 від кластерів підприємств до ділянок розміщення сховищ.

LCOI-Review, No. 11, 2012

117

АННОТАЦИИ

Беспалова С.В. Результаты работы Международного научно-практического симпозиума «НИЗКО-УГЛЕРОДНЫЕ ОТКРЫТЫЕ ИННОВАЦИИ ДЛЯ РЕГИОНОВ УКРАИНЫ» Подведены результаты работы 2-х мероприятий Международного научно-практического симпозиума: круглого стола, который состоялся 23 октября 2012 г., и Интернет-конференции, прошедшей 29 ноября 2012 г. Анциферов А.В., Киселев Н.Н., Туманов В.В., Филатов В.Ф. Оптимизация размещения подземных хранилищ СО2 и обеспечение мониторинга их состояния комплексом геофизических методов Предложено использование комплекса геофизических методов для оптимизации размещения подземных хранилищ СО2 в условиях индустриальных регионов Украины и мониторинга их состояния в процессе эксплуатации. Бескровная М.В., Юрченко В.В. Кобченко М. Определение пористости горных пород, перспективных для геологического хранения СО2, по данным рентгеновской томографии на синхротроне Для исследований пористости песчаников были использованы образцы, взятые из скважин, пробуренных в пределах Беляевского купола вблизи с. Беляевка, Первомайского района, Харьковской области. Используя программное обеспечение Avizo Fire, было исследовано 4 образца при двукратном и десятикратном увеличении. Полученные значения пористости – около 3%, что позволяют сделать вывод о перспективности использования осадочных отложений Донбасс для долговременного хранения СО2. Бодряга В.В., Недопекин Ф.В., Кравец В.А., Насанова Ю.В. Экологическая проблема утилизации графитной спели на металлургических предприятиях Рассматривается экологическая проблема утилизации графитной пыли на металлургических предприятиях. Исследование свойств графитсодержащей пыли и анализ существующих технологий обогащения графитовой пыли. Бондаренко И.В. Об экологизации инноваций аграрных машин Предложен безтопливный агрегат «Кругороб» для проведения сельскохозяйственных работ, в котором учитывается изменение существующего планирования сельскохозяйственных полей от традиционной формы (часто прямоугольной) на округлую. Также, одним из основных принципов проектирования аппарата «Кругороб», является приоритетность энергоавтономности устройства, которое достигается путём применения концепции МРА энергогенерирующих систем. Высоцкий С.П. Выбор направлений снижения эмиссии углекислого газа Рассмотрены основные пути снижения эмиссии парниковых газов. Использование технологий улавливания диоксида углерода, его транспортировки и захоронения приводит к существенному повышению стоимости электроэнергии. Перспективными направлениями для снижения эмиссии двуокиси углерода являются применение возобновляемых энергоресурсов и более эффективных технологий генерации тепловой и электрической энергии.

LCOI-Reviews, No. 11, 2012

118

Зробок Я.Я. Анализ и перспективы использования новых технологий в твердотопливной энергетике и пути использования низкосортных энергетических топлив Эта статья рассматривает проблемы использования устаревших технологий в тепловой энергетике. Требуется немедленное решение экономических и экологических проблем, используя новейшие технологии в теполоенергетической промышленности и значительное сокращение выбросов CO2 за счет преобразования продуктов сгорания. Иншеков Е.М., Ковальчук А.М., Кокорина М.Т. Атлас приоритетных низкоуглеводных технологий генерации энергии на основе возобновляемых и нетрадиционных источников энергии для регионов Украины Выбор оптимальных технологий использования распределенных источников энергии является важным шагом на пути к эффективному энергообеспечению. В работе проводится оценка технологий генерации электрической и / или тепловой энергии из нетрадиционных и возобновляемых источников энергии по определенным критериям. Расчеты относительных приоритетов технологий проводятся на основе паспортных данных, технико-экономических показателей, потенциала источника энергии и экспертных оценок относительно важности критериев оценки технологий с использованием метода анализа иерархий (МАИ). Казак О.В., Шеставин Н.С. О возможности использования воздушного террикона для улавливания пыли и углекислого газа на перекрестках автомобильных дорог Работа посвящена предварительному анализу возможности использования воздушных терриконов для улавливания углекислого газа и других вредных примесей из воздуха на перекрестках автомобильных дорог крупных городов. Проведен анализ существующих проектов воздушных башен для получения экологически чистой энергии. Подтверждена необходимость и возможность использования подобных установок для очистки воздуха. Лучина А.Ю., Бескровная М.В. Возможности применения процесса ANAMMOX для уменьшения выбросов СО2 в результате биологической очистки сточных вод Определяются возможности применения нового процесса ANAMMOX для удаления минерального азота из сточных вод Донецкой области. Проанализировано состояние коммуникационно-очистных сооружений в Донецкой области. Предложены рекомендации по реконструкции существующих очистных станций с целью снижения выбросов СО2, СН4, N2O, которые образуются в результате биологической очистки сточных вод. Осетров В.В. Геологические перспективы хранения СО2 в палеозойских осадочных отложениях Донбасса Проведен анализ особенностей геологического строения Донецкого каменноугольного бассейна и восточной части Днепровско-Донецкой впадины с позиции возможностей геологического хранения СО2. Определены потенциальные места для дальнейшего изучения их коллекторских свойств для долгосрочного хранения СО2, количественные критерии процесса хранения, а так же возможные варианты реализации процесса нагнетания и последующего хранения СО2 в Донбассе. Савкевич А.В., Чеботова Е.Н., Шеставин Н.С. Критическое сравнение теорий «Пределов роста», «Зеленого роста» и «Углеродного следа»: практика внедрения низко-углеродных открытых инноваций как инструментов стабилизации климата

LCOI-Review, No. 11, 2012

119

Сопоставление результатов внедрения в разных странах двух теорий: «Зеленого Роста» и «Углеродного Следа», - показывает актуальность выводов почти забытого доклада Римского клуба ”Limits to Growth”. Современное развитие Экономики, Энергетики и Окружающей среды основывается на решениях доклада Nicholas Stern “The Economics of Climate Change” и исследованиях фирмы McKinsey&Company, которые предлагают переход к «зеленой» экономике путем внедрения низко-углеродных технологий во все сферы человеческой деятельности. Такие технологии могут обеспечить стабильный экономический рост, но при этом фактически не учитывается «углеродный и экологический след» этих технологий: от стадии изготовления до стадии эксплуатации при широкомасштабном внедрении их в ряде стран или во всем мире. На ряде практических примеров внедрения технологий возобновляемых источников энергии и технологий улавливания и хранения диоксида углерода показаны возникающие противоречия между экономическим ростом и экологическими (климатическими) последствиями их внедрения. Предложено перейти к принципам открытых инноваций для привлечения к решению проблем стабилизации климата всего интеллектуального потенциала человечества. Обоснована необходимость возращения к парадигме «пределов роста» во всех сферах деятельности человека как альтернативного пути развития человечества. Сафонов А.И. Методы биомониторинга возможных утечек СО2 их хранилищ Представлены результаты обзора современных публикаций о фитоиндикационных эффектах повышенных концентраций углекислого газа в окружающей среде. Выделены возможности реализации программ биомониторингового характера на базе кафедр биологического факультета Донецкого национального университета. Семко А.Н., Бескровная М.В., Украинский Ю.Д., Виноградов С.А., Грицына И.Н. Тушение газовых факелов импульсными струями жидкости высокой скорости Проведены экспериментальные исследования тушения газового факела при помощи импульсных струй жидкости высокой скорости, которые генерируются пороховым импульсным водометом. Скорость импульсной струи в зависимости от энергии заряда в экспериментах достигала 300-600 м/с. При помощи лазерного бесконтактного измерителя скорости измерялась скорость головы струи непосредственно перед факелом, проводилось фотографирование струи. Показано, что вокруг импульсной струи жидкости высокой скорости в воздухе образуется высокоскоростное облако брызг большого поперечного сечения, которое эффективно сбивает пламя газового факела на расстояниях 5-20 м от установки. Стеблина М.А. Выбор критерия безопасности при извлечении составных частей капсюля методом ультразвукового воздействия Рассмотрены основные методы утилизации боеприпасов с истекшим сроков хранения, в том числе и унитарных патронов. Предложен новый ультразвуковой метод утилизации капсюлей-воспламенитей. Суть метода заключается в снижении чувствительности взрывчатого вещества к воздействию трением, ударом и наколом. Выведен и подсчитан критерий безопасности при утилизации данным методом. Тарарико Ю.А., Козаченко О.А. Перспективы развития агросферы Украине на низко-углеродной основе С целью совершенствования отраслевой структуры сельскохозяйственного комплекса площадью 20 тыс. га проведен анализ перспективных сценариев его развития. Показано, что комплексное использование современных технологических возможностей и создание

LCOI-Reviews, No. 11, 2012

120

цепочки безотходных производственных циклов позволяет оптимально распределить органический углерод растительной биомассы между продовольствием, энергоносителями и почвой с сопутствующим переходом на биоорганическую систему земледелия. При формировании аграрных производственных систем на биоэнергетической основе реализуется агроресурсный потенциал сельскохозяйственных территорий, укрепляется энергетическая независимость и продовольственная безопасность страны Тимошенко Н.С., Семко А.Н., Тимошенко С.Н. Снижение выбросов углекислого газа из дуговой сталеплавильной печи на основе совершенствования системы газоудаления В работе исследуются особенности формирования и физико-химические параметры пылегазовой среды в рабочем пространства электродуговых сталеплавильных печей. Для снижения интенсивности выноса пыли, СО2 и других технологических газов из печи предложена конструкция вытяжного газохода с равномерным отбором газа. С использованием пакета прикладных программ CosmosFloWorks в среде SolidWorks выполнено численное моделирование усовершенствованной системы газоудаления современной 120-т дуговой печи, показывающее снижение выбросов углекислого газа из печи на 2,5 кг/т стали. Фоменко В.Г., Филипенко С.И. Перспективы развития малой электроэнергетики в Приднестровье В статье рассматриваются предпосылки и перспективы развития малых типов альтернативных электростанций на территории Приднестровского региона. Характеризуется территориальная организация регионального топливно-энергетического комплекса в целом, а также дается оценка преимуществ отдельных направлений мини-энергетики. Анализируются экономическая эффективность и экологическая целесообразность строительства и эксплуатации альтернативных станций в регионе. Шапарь А.Г., Скрипник О.А. Сокращение эмиссии парниковых газов путем формирования вторичных экосистем на землях, измененных в результате антропогенного воздействия Формирование вторичных почв и растительности на нарушенных горными работами землях, сокращение площади водохранилищ и воссоздание растительности долины Днепра, восстановление продуктивности деградированых земель (эродированных, засоленных, песчаных) способны депонировать углерод выбросов промышленности Украины и снизить глобальный парниковый эффект. Шеставин Н.С. Оценка потенциала источников и поглотителей СО2 на востоке Украины: перспективные направления транспортировки СО2 Проведенные на основе данных из открытых источников информации исследования потенциала эмиссии и поглощения СО2 в восточных областях Украины позволили создать географические информационные системы по основным источникам эмиссии СО2 и по возможным участкам геологического хранения СО2. Совмещением этих систем определяются перспективные направления транспортировки СО2 от кластеров предприятий до участков размещения хранилищ.

LCOI-Review, No. 11, 2012

121

ЗАГАЛЬНА ІНФОРМАЦІЯ ПРО ПРОЕКТ

«НИЗЬКО-ВУГЛЕЦЕВІ МОЖЛИВОСТІ ДЛЯ ІНДУСТРІАЛЬНИХ РЕГІОНІВ УКРАЇНИ (LCOIR-UA)»

Проект виконується за Тематичною програмою Європейського Союзу для довкілля і

сталого управління природними ресурсами, зокрема енергією (напрямок „Співробітництво у галузі чистих вугільних технологій і технологій уловлювання і зберігання вуглецю”).

Проект реалізується Донецьким національним університетом (м. Донецьк, Україна) -

Науково-навчальним центром „Конвергенція нано-, біо- та інфо- технологій для збалансованого регіонального розвитку”, та фінансується Європейським Союзом.

Концепція проекту Україна є сьомою країною у Європі по обсягам викидів CO2, і більше 70% цих викидів

є результатом діяльності енергетичного сектора, в основному, за рахунок спалення місцевого вугілля (5-е Повідомлення України з питань зміни клімату, Київ, 2009). Більшість теплових електростанцій розташовані в східній частині України, а саме в регіонах, вибраних для реалізації проекту.

Решта галузей промисловості – металургія, гірничодобувні підприємства, а також

хімічні виробництва – є величезними споживачами вугілля для отримання енергії і велика частина цих заводів також знаходиться в регіонах, які досліджуватимуться.

В останні десятиліття відбувається зниження викидів СО2 в Україні в результаті

згортання промислового виробництва і регулярного закриття заводів. Щоб пожвавити промислові галузі без надмірного зростання викидів CO2, в Україні, а також у Донбасі, як в основному індустріальному регіоні, необхідно започаткувати упровадження чистих вугільних технологій і технологій уловлювання і зберігання вуглецю (кліматичні технології).

Основна проблема, з якою стикається український енергетичний сектор, є знос

устаткування, велика частина якого працює вже більше 50 років. Устаткування є дуже старим, щоб бути адаптованим до менш емісійних кліматичних технологій і, таким чином, повинно бути демонтовано і замінено новими технологіями. Зараз настав час для України відновити свої технології і вибрати найефективніші. Отже, існує потреба і необхідність розширення знань у сфері кліматичних технологій для осіб, що визначають політику, промисловців, інженерів і учених.

Целі проекту: Загальні цілі проекту наступні: - Сприяти та допомагати фактичному здійсненню діяльності з впровадження

кліматичних технологій в Україні - Розпочати співпрацю у сфері кліматичних технологій між Україною і Європейським

співтовариством Конкретні цілі полягають у наступному: - Поліпшити знання українського контексту для здійснення кліматичних технологій - Визначити потенційні об'єкти для актуальних програм адаптації в Україні

кліматичних технологій - Створити в основних зацікавлених сторін усвідомлення про кліматичні технології

як інструменти боротьби із зміною клімату

LCOI-Reviews, No. 11, 2012

122

Цільові групи із обраних індустріальних регіонів (Донецької, Дніпропетровської,

Запорізької, Луганської та Харківської областей) такі: - Регіональні органи державного управління і органи місцевого самоврядування - Адміністративний та інженерно-технічний персонал регіональних енергетичних і

промислових компаній - Представники регіональних освітніх та наукових спільнот - Студенти та аспіранти природничих й економічних факультетів університетів Компоненти проекту Донецький національний університет виконує три компоненти проекту: 1. Дослідження національного та регіонального контексту можливостей

використання кліматичних технологій Результатами цієї частини будуть доповіді про світовий контекст; про існуючі

українські політичні рухи, закони та нормативні акти; про зацікавлені сторони, а також рекомендації щодо створення потенціалу кліматичних технологій в Україні.

2. Оцінка: створення географічних інформаційних систем (ГІС) Для оцінки можливостей та перешкод розгортання кліматичних технологій в Україні

будуть створені ГІС джерел і поглиначів СО2, а також надані рекомендації із фактичного здійснення кліматичних технологій для об'єктів в індустріальних регіонах України.

3. Обмін знаннями Обмін знаннями, створеними і накопиченими в процесі виконання, буде

здійснюватися шляхом організації та проведення наступних заходів: освітньої сесії та круглих столів для представників влади та бізнесу, для освітян, науковців та інженерів; міжнародна науково-практична конференція з актуальних питань зміни клімату та використання кліматичних технологій; лекції для студентів старших курсів і аспірантів.

У рамках проекту будуть видані: монографія; огляди основних проблем, що виникають при зміні клімату, та шляхів їх вирішення; навчальний посібник з питань змін клімату та кліматичних технологій; інфо-бюлетені.

За проектом створений веб-сайт, спрямований на різні цільові групи проекту. За додатковою інформацією звертайтеся: Донецький національний університет Університетська вул., 24 Донецьк, 83001 Україна Тел./факс: +380 (62) 305 1651 E-mail: research.div@donnu.edu.ua Web: http://research.donnu.edu.ua Координатор проекту: Шеставін Микола Степанович Моб. тел.: +380 (50) 217 9443 E-mail: lcoir@ukr.net Web: http://www.lcoir-ua.eu

Думки, відображені у цій публікації, не обов’язково співпадають з поглядами Європейської Комісії та Уряду України