Таблица 1. – Содержание метана в биогазе при использовании различных видов сырья

Главной составляющей большинства газовых приборов является горелка, в которой и происходит сжигание топлива. В свою очередь, основным компонентом биогаза, как и природного газа, является метан, поэтому возникает вопрос, возможно ли для сжигания биогаза использовать стандартное газогорелочное оборудование.

Взаимозаменяемость газов – это возможность устойчивого сжигания их в тепловых установках без изменения конструкции газогорелочных устройств, при сохранении номинальной тепловой мощности. Устойчивая работа газогорелочных устройств характеризуется работой горелок без отрыва и проскока пламени при полноте сгорания газа, близкой к 100 %. Для определения взаимозаменяемости газов рассчитывают число Воббе, которое характеризует постоянство теплового потока при постоянном давлении в процессе сжигания газа. Стандарты допускают отклонение числа Воббе у взаимозаменяемых газов не более чем на 5% [1].

Число Воббе газообразного топлива (низшее или высшее) – это отношение объемной (соответственно, низшей или высшей) теплоты сгорания к корню квадратному из относительной плотности газообразного топлива (то есть из отношения его плотности к плотности воздуха при нормальных условиях) [3].

Произведем расчет числа Воббе для биогаза и природного газа.

Принимаем процентный состав биогаза по объему [1]:

CH₄ = 66,12%, CO₂ = 32,72%, N₂ = 0,55%, H₂S = 0,03%, O₂ =0,46%, H₂ =0,12%.

Низшая теплота сгорания топлива Q_н, ккал/м³ (кДж/м³), по [3]:

где Q_Н2S, Q_CO и т. д. – теплота сгорания отдельных газов, входящих в состав газообразного топлива, ккал/м³ (кДж/м³).

Определим плотность газообразного топлива с, кг/м³:

где с_i – плотность отдельных газов, входящих в состав газообразного топлива, кг/м³ .

Определим число Воббе:

W_н = , МДж/м³

где с_в – плотность воздуха при нормальных условиях, кг/м³.

W_нб == 25,35 МДж/м³

Природный газ месторождения Медвежье имеет следующий характеристики [4]:

Процентный состав газа по объему: CH₄ = 99 %, C₂H₆ = 0,1%, C₃H₈ = 0,005 %, СO₂ = 0,095 %, N₂+редкие газы = 0,8 %;

Низшая теплота сгорания Q_н= 35128 кДж/м³;

Плотность с= 0,723 кг/м³.

Число Воббе для природного газа:

W_нп == 46,98 Мдж/м³

В результате расчетов получилось расхождение между двумя значениями числа Воббе W_нб = 25,35 Мдж/м³ и W_нп = 46,98 Мдж/м³ на 46%. Максимальное расхождение у взаимозаменяемых газов 5 %. Это свидетельствуют о том, что биогаз нельзя сжигать с помощью горелки, предназначенной для работы на природном газе.

Заключение

Если стоит вопрос о переводе газового прибора с природного газа на биогаз, то его газогорелочное устройство требует конструктивных изменений. Для устойчивой работы газогорелочного устройства нужно обеспечить правильную пропорцию газовоздушной смеси, а также скорость потока газа. Скорость потока газа задается давлением газа на входе и диаметром отверстия форсунки для подачи газа[5]. Значительное содержание (25 – 40%) CO₂ в биогазе влияет на количество требуемого воздуха для полного сгорания топлива. Для сгорания 1м³ биогаза в среднем требуется в 1,5 раза меньше воздуха, чем для сгорания 1м³ природного газа [6]. Теплотворная способность биогаза меньше, чем у природного газа в несколько раз. Это сказывается на расходе подаваемого топлива. Следует учитывать, что характеристики биогаза напрямую зависят от вида исходного субстрата, поэтому конструкция и настройка горелок для работы на биогазе должны определяться экспериментально для каждого индивидуального случая.

Метан играет важную климатообразующую роль. Интенсивность естественных источников метана зависит от температуры. Температура воздуха в Арктике растет в два раза быстрее, чем в среднем по земному шару. Нельзя исключить роль метановой положительной обратной связи в потеплении Арктики ни в настоящем, ни в будущем.

Данные сканирующего интерферометра IASI, полученные с помощью спутника METOP-A, позволяют оценить уровень эмиссии метана в Арктике и выявить области с повышенной активностью. Однако из-за недостаточного вертикального температурного контраста над холодной поверхностью суши зимой или пакового льда в течение всего года данные IASI не могут обнаружить метановые выбросы в нижних слоях атмосферы, где они наиболее вероятны. Для более точной оценки метановых выбросов необходимо использовать другие методы, такие как наземные измерения и наблюдения с помощью спутников высокого разрешения. Метан играет важную роль в климатических изменениях, и его эмиссия в Арктике значительно превышает ожидаемый уровень на основе моделей климата и географии.

Обнаружение эмиссий метана при помощи данных ДЗЗ

Метан играет важную роль в климатических изменениях, особенно в Арктике, где его выбросы превышают ожидаемый уровень на основе моделей климата и географии. Для получения данных о содержании метана в атмосфере используются спутниковые измерения, такие как AIRS, IASI, CrIS/Suomi и TANSO/GOSAT, которые позволяют получать информацию как днём, так и ночью, как над морем, так и над сушей. На орбите работают несколько спектрометров/интерферометров, включая AIRS на спутнике Aqua, IASI на европейских спутниках Metop-A и Metop-B, CrIS/Suomi и TANSO/GOSAT[1].

Рисунок 1. Спутник Aqua

Таблица 1. Характеристики спутника

Пример изображения со спутника Aqua представлен на рисунке 2.

Рисунок 2. Изображения со спутника

Так что же принесли данные спутниковых измерений?

Исследования Леонида Николаевича Юрганова, который является специалистом в области дистанционного зондирования, показали, что круглогодичные данныe о метане со спутников над поверхнoстью Северного Ледовитого океана мoгут быть пoлучены благодаря разнице температуры между поверхностью и атмосферой в случаях тонкого льда в течение всего года.

В период с 2007 по 2014 годы cреднегодовые урoвни метана над Баренцевым морем увeличивались, а данные IASI за 2010–2014 годы показали значительные аномалии концентрации метана над Западно-Сибирской низменностью. В Западной Арктике прослеживается втoрой большой участок с увеличенными концентрациями метана. Северный Ледовитый океан может быть выделить до двух третей всего объемa метана, выбрасываемoго в сухoпутной части Арктики к северу от шестидесяти градусов северной широты, а также эмиссия метана обнаруживается и от морей Восточной Арктики[2].

Рисунок 3. Среднегодовая аномалия концентрации метана, усреднённой между поверхностью и высотой 4 км (шкала). МЗА — моря западной Арктики, МВА — моря восточной Арктики, ЗCH — Западно-Сибирская низменность.

Результаты ультразвуковой эхолокации целесообразно сравнить со спутниковыми данными для выявления источника метана. Аномальные концентрации метана были обнаружены с помощью спутников осенью и зимой в районах, где находятся метаногидраты, а также показали, что летом эмиссия метана малосущественна. Газовые гидраты – это кристаллические соединения, которые образуются при высоком давлении и низкой температуре из воды и газа. Молекулы газа, включая метан, плотно зажаты в кристаллах льда. В одном объеме метаногидрата содержится приблизительно 160-180 объемов метана. Метаногидраты, находящиеся под дном Северного Ледовитого океана, содержат по разным оценкам от 30 до 90 000 Гт (миллиардов тонн) метана. Для сравнения: в атмосфере Земли всего около 5,2 Гт метана. Это значит, что даже небольшое освобождение 1% метана, который заключен в метаногидратах, может увеличить глобальную концентрацию данного газа как минимум на 6%, а как максимум – в 180 раз![2]

Рисунок 4. Схема метода эхолокации для обнаружения потоков метана со дна моря (слева) и пример реальной эхограммы, полученной к западу от Шпицбергена (справа). Пузырьки метана, выделяемые метаногидратами со дна, поднимаются вверх (рисунок автора). На эхограмме красным цветом показаны максимальные концентрации пузырьков метана, синим — минимальные. Красная стрелка от поверхности до спутника схематически показывает восходящий поток тепловой радиации, регистрируемой спектрометром.

Концентрация метана, рассчитанная зарубежными учеными

На рисунке показана повышенная концентрация метана в атмосфере Якутии в период пожаров 2014 года, которую рассчитали с помощью алгоритма, разработанного Калифорнийским технологическим институтом.[3]

Рисунок 5. Концентрация метана в атмосферном столбе по данным сенсора AIRS (22 июля 2014 г. 03.41 GMT, 05.23 GMT)

Таким образом, в рамках исследования были сделаны выводы о том, что данные ДЗЗ являются незаменимым источником информации для проведения производственной и исследовательской деятельности в Арктическом регионе при решении проблемы эмиссий метана. С помощью проведения исследования мы узнали, что океан в Арктике выделяет метан в основном осенью-зимой и вдоль пути тёплого Северо-Атлантического течения. А также то, что потоки этого газа в Арктике меняются от года к году, хотя с уверенностью говорить о закономерном возрастании эмиссии пока рано. Продолжение измерений и привлечение модельных расчётов позволят прояснить вопрос о влиянии арктического метана на климат планеты.

Технологический процесс биоконверсии – это процесс, при выполнении которого осуществляется преобразование отходов производства.

Внедрение таких процессов обеспечивает возможность решения двух актуальных проблем: экологической – очистка от загрязняющих отходов, энергетической – получение биогаза, который может использоваться как полезное топливо.

Целью настоящей работы является рассмотрение возможности внедрения биогазовых установок на биологических очистных сооружениях (БОС) г. Петропавловск-Камчатского. Продуктами, получаемыми после метанового сбраживания на биогазовых установках, являются:

• Биогаз- смесь метана 50-70%, углекислого газа 30-40%, сероводорода, аммиака, водорода и оксида углерода.
• Биоорганические удобрения – перебродивший субстрат с повышенным содержанием питательных веществ, макро- и микроэлементов в легкодоступной для растений форме.

Биогаз в результате его сжигания в когенерационных блоках используется для получения электрической и тепловой энергии. Биоорганическое удобрение может использоваться как в жидком, так и в твердом виде для подкормки цветочных культур и обеспечения их необходимыми элементами питания.

Плюсы, которые дает нам внедрение биогазовых установок на БОС:

• Возможность полной утилизации отходов органического происхождения.
• Получение тепла для производственных процессов, бытовых нужд и потребностей самой биогазовой установки.
• Улучшение экологической обстановки.
• Экономия материально-денежных средств по затратам на теплоснабжение и покупку минеральных удобрений.

Залежи угля обычно находятся на больших глубинах. Уголь самого высокого качества – это антрацит, добываемый на глубине 2000 метров и более. Некоторые виды угля находятся на менее значительных глубинах, что позволяет добывать их открытым способом. Уголь используется в качестве твердого топлива и используется в повседневной жизни в качестве источника энергии. Кроме того, он используется в химической и металлургической промышленности. Существует возможность переработки угля в нефть, что позволяет получать жидкое топливо. Коксохимическая промышленность широко используется и включает такие процессы, как коксование, при котором образуются газ, аммиак и каменноугольная смола. Образующийся газ может быть преобразован в такие продукты, как толуол и бензол, которые широко используются в различных отраслях промышленности, включая производство резины, лаков и красок[1].

Широкое использование угля способствовало разработке новых технологий его переработки. Однако необходимо учитывать опасности, связанные с добычей и обогащением угля.

Ноксология – это наука, которая занимается изучением возникновения и воздействия опасностей, определением опасных зон и параметров их воздействия на окружающую среду, а также оценкой ущерба, причиняемого человеку и природе опасными факторами.

Целью ноксологии является углубление и расширение знаний о системе безопасности в условиях техногенных рисков с целью развития практических навыков применения этих знаний в организационной, управленческой и оперативной деятельности[2].

Человек – высшая ценность, и главная цель его существования – сохранение и продление жизни. Приоритетным направлением деятельности является забота о здоровье и благополучии человека с точки зрения взаимодействия с внешними системами. Это включает выявление опасностей и определение зон их воздействия, создание и использование средств защиты человека, контроль и обслуживание этих средств и другие аспекты (принцип антропоцентризма)[3].

При переработке угля особое внимание уделяется безопасности. Большинство несчастных случаев на угольных предприятиях связано с техническим обслуживанием и ремонтом машин и оборудования. Основными причинами несчастных случаев являются смазка и техническое обслуживание деталей машин во время их работы, а также непрерывная очистка конвейерных лент. Кроме того, многие травмы возникают в результате зацепления одежды или конечностей работающими деталями машины, такими как ремни, шкивы, шестерни, дюбели вала и другие быстро вращающиеся элементы, без надлежащей защиты[4].

Процесс дробления на заводе также опасен. Основными рисками являются вращающиеся части дробилок, такие как шкивы, шестерни, приводные ремни, концы вала, выступающие дюбели, а также зоны погрузки и разгрузки материалов. Особенно опасны металлические или крупные неочищенные предметы, попавшие в дробилку с углем. Такие предметы могут привести к заторам, остановке дробилки, поломкам и серьезным травмам персонала.

Просеивание – это процесс просеивания материала со специальной поверхностью. В зависимости от типа движения поверхности сита могут быть стационарными, вращающимися, качающимися или вибрирующими. Стационарные экраны считаются менее опасными в эксплуатации, чем механические, которые имеют вращающиеся и качающиеся части. Основная опасность работы с экраном заключается в случайном падении кусков материала, таких как уголь, которые при недостаточной высоте могут скатиться по сторонам экрана.

Цепные приводы роликовых экранов, передающие вращение на ролики, особенно опасны для обслуживающего персонала. Как и все цепные приводы, они создают внутренние и внешние опасные зоны для рабочих. При просеивании обычных сухих углей образуется большое количество пыли, что усложняет условия обслуживания сит и является специфическим негативным фактором.

Отстойники широко используются для отделения угля в водной среде на угольных установках. Существует два основных типа установочных машин – поршневые и беспоршневые. Важным условием безопасной эксплуатации установочных машин является наличие надежных упоров для всех подвижных и вращающихся деталей машин, которые обеспечивают полную безопасность обслуживающего персонала и упрощают осмотр и смазку. Особое внимание также необходимо уделять заземлению электрооборудования и изоляции токоведущих частей, так как отложение угля происходит в водной среде.

Промывочные желоба, используемые для процессов обогащения влажного угля, отличаются от других обогатительных машин меньшим количеством механических устройств. Они содержат устройства для поворота сетчатого сектора разгрузочных камер и эксцентриковый привод. Наиболее опасным элементом промывочных желобов является эксцентриковый привод, обеспечивающий качание трансмиссии разгрузочных механизмов.

Обогащение угля в тяжелых условиях требует использования специального оборудования, такого как сепараторы. Цепной привод лопастного устройства и ременный привод подъемного колеса являются наиболее опасными частями сепараторов. Однако вращающиеся части подъемного колеса и движущаяся скребковая цепь лопастного устройства защищены корпусом сепаратора, что снижает опасность.

Пневматическое обогащение угля имеет один существенный недостаток – высокое пылеобразование. Основными источниками пыли при использовании пневматических сепараторов являются места, где уголь падает на палубу, а концентрат, промежуточный продукт и горная порода попадают в приемные воронки желобов.

Флотационные машины и вспомогательное оборудование флотационных установок подразделяются на механические и пневматические в зависимости от типа аэрации пульпы. Использование токсичных и легковоспламеняющихся реагентов затрудняет эксплуатацию флотационных машин и требует особых мер безопасности для предотвращения токсического воздействия и пожаров.

Ленточные конвейеры имеют опасные места в виде вращающихся приводных частей, барабанов, роликов и конвейерных лент. Во избежание несчастных случаев, связанных с захватом тела или одежды рабочих, все эти участки конвейера должны быть надежно огорожены. Особое внимание следует уделить защите барабанов приводной станции и натяжителя.

Если приводные станции транспортных лифтов расположены на общих производственных площадях, они должны быть огорожены перилами или решетчатыми ограждениями. Посторонним лицам должно быть запрещено входить в эти помещения или выходить за пределы ограждения приводных станций. Чтобы предотвратить падение цепи или ремня с лопастями при поломке, подъемники должны быть оснащены специальными захватными устройствами. Также требуется автоматическое устройство, которое предотвращает обратный ток в цепи.

Сушильные установки являются наиболее опасным оборудованием на фабриках с точки зрения взрывов и пожаров, поэтому они обычно располагаются в отдельных огнеупорных помещениях. Основной причиной взрывов в сушильных установках является разбухание и завихрение пыли, которая может взорваться при появлении источника возгорания.

К основным мерам предотвращения возникновения очагов возгорания относятся: постоянное наличие воды для охлаждения элементов печи и заливки шлака и соблюдение режима работы печи, в частности, соблюдение необходимой толщины слоя топлива на решетке и его расстояния от порога печи[5].

Долгосрочный анализ причин заболеваемости на угольных предприятиях показывает, что среди различных профессиональных групп наибольший уровень заболеваемости приходится на группу слесарей, машинистов конвейерных лент, сборщиков камней и обогатителей углерода. Уровень респираторных заболеваний наиболее высок у ленточных конвейеров, сборщиков камней и водителей сушильных установок; нервные заболевания – у водителей насосных установок, ленточных конвейеров, погрузчиков. Заболеваемость глазными заболеваниями у ленточных конвейеров и аппаратов для обогащения углерода в несколько раз выше, чем у работников других профессий. Наибольшая частота заболеваний опорно-двигательного аппарата была обнаружена у водителей конвейеров, обогатителей, сборщиков камней и грузчиков.

Основными причинами респираторных заболеваний являются загрязнение промышленной атмосферы угольной пылью и парами реагентов, что обусловлено недостаточно эффективной работой приточной и вытяжной вентиляции, плохой защитой пылеуловительных очагов, недостаточной герметизацией окон и проемов. Повышенный уровень шума и вибрации, влияющий на обслуживающий персонал на заводе, необходим для развития нервных расстройств, заболеваний ушей и язв желудка, как показали специальные исследования.

Основными причинами несоответствия освещенности рабочих мест требованиям санитарных норм являются загрязнение ламп из-за сильного запыления, их нерациональное размещение по отношению к приборам, отсутствие или выключение ламп, нерегулярный уход за лампами. Основная причина неудовлетворительного естественного освещения – высокая влажность и повышенный выброс пыли. Недостаточная механизация ручного труда и высокая вибрация вызывают заболевания опорно-двигательного аппарата.

Технологические процессы угольных обогатительных фабрик основаны на использовании различных токсичных веществ. Некоторые из них включают флотационные реагенты, такие как керосин, соль, легкая среда, абсорбирующие и антраценовые масла, сульфированный и окисляющий керосин, древесные смолы, кубические остатки от перегонки неочищенного сульфатного пентина и спирты. Кроме того, при анализе угля и проверке исходного угля для разделения используются токсичные вещества, такие как хлорид кальция, хлорид цинка и полихлориды, которые действуют как тяжелая жидкость.

Опасность заключается в том, что токсины могут попадать в организм через дыхательные пути и пищеварительный тракт, а также через кожу. Из всех видов проникновения вдыхание токсичных веществ в легкие является наиболее опасным, поскольку они быстро попадают в кровоток и распространяются по всему телу.

Токсичные вещества могут вызывать бытовые заболевания, такие как простуда и кожные заболевания, вызванные загрязнением угольной пылью, в дополнение к промышленным рискам.

На угольных предприятиях, где используются токсичные или агрессивные химические вещества, необходимо разработать конкретные меры по борьбе с производственными рисками. Для поддержания таких процессов существуют специальные инструкции, которые устанавливают конкретные правила безопасности.

В соответствии с правилами техники безопасности сотрудники могут выполнять работу с вредными и токсичными жидкостями или веществами только после завершения обучения правилам безопасной работы с ними[6].

Проанализировав работы по переработке угля, можно сделать вывод, что эти работы оказывают значительное влияние на жизнь и здоровье работников.

Для оценки опасности производственного объекта используется показатель риска, который рассчитывается как произведение коэффициентов частоты несчастных случаев и их серьезности на данном объекте. Безопасность производства на угольных установках в условиях Севера зависит от влажности и концентрации угольной пыли. Максимальная безопасность труда достигается при влажности рабочей зоны от 40% до 60%. Повышение квалификации персонала также способствует повышению безопасности труда.

Основными причинами травматизма работников перерабатывающих предприятий являются организационные и технические проблемы. К ним относятся неудовлетворительное состояние рабочего места, невнимательность и небрежность при выполнении работ, работа без ограждений, нарушение требований охраны труда, использование неподходящих инструментов, неправильное использование защитного оборудования, несоблюдение правил техники безопасности и недостаточно четкая организация труда из-за недостаточного обучения. Одной из основных причин травматизма является невнимательность и невнимательность сотрудников, вызванная усталостью из-за неблагоприятных санитарно-гигиенических условий.

Неблагоприятные условия труда, такие как шум, недостаточное освещение, вибрация, загрязнение газом и пыль, негативно влияют на организм работников, вызывая повышенную утомляемость, снижение внимания и координации движений.

Климатические условия также играют важную роль в физическом и эмоциональном состоянии сотрудников. Перепады давления, холодная зима и жаркое лето, а также морозный туман негативно влияют на самочувствие и настроение людей.

Таким образом, работа на угольных предприятиях сопряжена со многими рисками и опасностями для здоровья работников. Для обеспечения безопасности необходимо разработать конкретные меры, строго соблюдать правила техники безопасности и обучать персонал.