Шелепова Д.Д., Ахтямов М.Х.
МЕРОПРИЯТИЯ ПО СНИЖЕНИЮ ВРЕДНЫХ ВЫБРОСОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ ПЛАЗМОТРОНА ДЛЯ ОЧИСТКИ ДЫМОВЫХ ГАЗОВ *
Аннотация:
в работе проведен анализ процесса вакуумной перегонки атмосферного остатка с точки зрения его экологических аспектов и разработка рекомендаций по снижению вредных выбросов. Задачи исследования включают изучение технологии плазмотронной очистки дымовых газов, оценку ее эффективности и рассмотрение возможностей применения в промышленности.
Ключевые слова:
обезвреживание выбросов, вакуумная перегонка, плазмотронная технология
Обеспечение экологической безопасности (ЭБ) при хозяйственной и иной деятельности является одной из ключевых задач, решение которой не может быть переложено в заботу новых поколений людей. Оно должно быть разрешено на стадии экологической оценки будущих проектов, модернизации уже существующих, в целях реализации задач ЭБ. К сожалению, в условиях нарастания очередного глобального антропогенного кризиса – физико-химического загрязнения биосферы - не так много средств – механизмов снижения негативных последствий на окружающую природную среду и на человека. Процессы переработки нефти постоянно совершенствуются. В их числе вакуумная перегонка атмосферного остатка, сопровождающаяся с выделением значительных объемов выбросов, что может спровоцировать возрастание негативное воздействия на окружающую среду и здоровье человека. В связи с этим разработка эффективных технологий для снижения негативных последствий выбросов становится приоритетным направлением для нефтеперерабатывающей отрасли. Целью данного исследования является анализ процесса вакуумной перегонки атмосферного остатка с точки зрения его экологических аспектов и разработка рекомендаций по снижению вредных выбросов. Задачи исследования включают изучение технологии плазмотронной очистки дымовых газов, оценку ее эффективности и возможностей применения в технологических процессах. Это позволит предложить пути улучшения ЭБ в отрасли. 1. Экологическая оценка вакуумной перегонки атмосферного остатка. Вакуумная перегонка представляет собой технологический процесс, применяемый в нефтепереработке для разделения тяжелых нефтяных остатков, таких как мазут, на более легкие углеводородные фракции. Этот метод основывается на изменении условий кипения компонентов смеси путем снижения давления в перегонной колонне. При этом, достигается понижение температуры кипения, что позволяет проводить процесс при более низких температурах. Снижение температуры так же уменьшает риск термического разложения углеводородов и способствует улучшению качества получаемых продуктов. Основные этапы вакуумной перегонки включают нагрев сырья, его подачу в вакуумную колонну, где происходит разделение на фракции, и последующий сбор целевых продуктов. Анализ приведенной зависимости показывает, что КПД имеет пороговое значение при мощности разряда 15,3 кВт и расходе плазмообразующего газа 0,06 кг/с [8]. Это подчеркивает значимость оптимизации условий процесса для достижения максимальной эффективности. Основной целью вакуумной перегонки является переработка тяжелых нефтяных остатков с целью получения ценных продуктов, таких как газойль, вакуумный дистиллят и другие углеводородные фракции, которые затем могут быть использованы для производства топлива, масел и других нефтехимических продуктов. Преимущества данного процесса заключаются в возможности переработки сырья с минимальными потерями, снижении энергозатрат за счет уменьшения температуры кипения компонентов и повышении выхода целевых продуктов. Кроме того, вакуумная перегонка способствует снижению выбросов вредных веществ, так как более низкие температуры процесса уменьшают образование побочных продуктов разложения углеводородов. 2. Влияние на окружающую среду и здоровье человека. Процесс вакуумной перегонки атмосферного остатка, будучи важным этапом переработки нефти, сопровождается образованием значительных объемов выбросов загрязняющих веществ в атмосферу. Наиболее распространёнными из них являются оксиды азота (NOx), диоксид серы (SO2) и летучие органические соединения (ЛОС). Эти вещества могут оказать негативное воздействие на окружающую среду, увеличивая загрязнение воздуха и риск образования кислотных осадкой. ЛОС могут вовлекаться в фотохимические реакции, что может привести к образованию приземного озона (0з) – компонента смога, представляющего собой серьёзную экологическую проблему в промышленных регионах. Вероятность образования приземных концентраций 0з связана с более высокой молекулярной массой озона – 48 – по сравнению со средней молекулярной массой воздуха, равного 29. В контексте воздействия топливно-энергетического комплекса на окружающую среду «рассмотрены экологические аспекты влияния на атмосферу и гидросферу. Даны характеристики дымовых выбросов и сточных вод» [3]. Это подчеркивает важность комплексного подхода к анализу выбросов, учитывающего как их состав, так и последствия для экосистем. Загрязнение воздуха, вызванное выбросами при вакуумной перегонке атмосферного остатка, оказывает значительное влияние на здоровье человека. По данным Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), загрязнение воздуха является причиной около 7 миллионов преждевременных смертей ежегодно. Вредные вещества, такие как оксиды азота и диоксид серы, вызывают респираторные и кардиоваскулярные заболевания, а также способствуют развитию хронических болезней. Озон, в Российской Федерации отнесён к первому, самому высокому классу опасности вредных веществ. Приземный озон, образующийся в результате выбросов летучих органических соединений (ЛОС), оказывает раздражающее действие на дыхательную систему, особенно у детей и пожилых людей. Воздействие нефти и нефтепродуктов также представляет собой серьезную угрозу для здоровья. Мужчины, подвергающиеся этому воздействию, находятся в группе риска заболеваний раком легкого, гортани и губы, в то время как женщины подвержены риску рака легкого, толстой кишки, молочной железы и репродуктивных органов [3]. Таким образом, комплексное воздействие загрязняющих веществ на здоровье населения требует внимательного изучения и принятия мер для снижения выбросов. 3. Технология плазмотронной очистки дымовых газов. Принцип действия плазмотрона. Технология плазматрона основана на использовании высокотемпературной плазмы, создаваемой с помощью электрической дуги. Эта плазма, представляющая собой ионизированный газ, достигает температур до 10 000 °C, что позволяет эффективно разрушать сложные химические соединения. Принцип работы плазматрона заключается в преобразовании электрической энергии в тепловую, что обеспечивает высокую энергоэффективность процесса. В ходе исследований на модельных ВОНР были определены режимы работы ВЧФ плазмотрона и реактора, обеспечивающие прямой плазмохимический синтез сложных оксидных композиций [2]. Высокотемпературная плазма, генерируемая плазматроном, оказывает разрушение молекул загрязняющих веществ, разрушая их на элементарные составляющие. Например, сложные органические соединения, такие как диоксины и фураны, подвергаются термическому разложению, что приводит к их полному уничтожению. Этот процесс позволяет эффективно снижать концентрацию токсичных веществ в дымовых газах. Плазматроны находят широкое применение в промышленности, особенно в переработке отходов и очистке дымовых газов. На мусоросжигательных заводах они эффективно уничтожают токсичные соединения, что значительно снижает уровень вредных выбросов в атмосферу. Это делает технологию плазматронов незаменимой в условиях ужесточения экологических норм. В дополнение к этому, в контексте перехода на более экологичные виды топлива «прогнозируется увеличение потребления сжатого (компримированного) природного газа (КПГ) на автомобилях в связи с большим количеством принятых программ в различных городах России перевода АТ на этот вид топлива» [4]. Таким образом, использование плазматронов и переход на КПГ могут совместно способствовать улучшению экологической ситуации. 4. Преимущества и недостатки технологии плазмотронной очистки. Технология плазмотронной очистки дымовых газов обладает рядом значительных преимуществ, делающих её привлекательной для применения в промышленности. Одним из ключевых достоинств является высокая эффективность удаления вредных веществ. Благодаря использованию высокотемпературной плазмы, достигающей температуры до 10 000 °C, удаётся разрушать сложные молекулы загрязнителей, такие как диоксины и фураны, которые трудно поддаются удалению другими методами. При этом плазмотронная технология позволяет существенно сократить выбросы оксидов азота на 70–90 %, что достигается за счёт образования высокоактивных радикалов в процессе обработки дымовых газов. Эти свойства делают технологию особенно эффективной для снижения экологической нагрузки. В рамках исследований отмечается, что «целью работы являлась разработка технологических источников широких пучков газовых ионов низких (300-1000 эВ) и высоких энергий (5-50 кэВ) на основе тлеющего разряда низкого давления с холодным катодом» [6]. Таким образом, плазмотронная очистка не только решает задачи по удалению загрязняющих веществ, но и открывает новые горизонты для разработки технологий с использованием ионов, что может дополнительно повысить её эффективность. Несмотря на свои очевидные преимущества, плазмотронная технология имеет и определённые ограничения, которые следует учитывать при её внедрении. Одним из основных недостатков является высокая энергоёмкость процесса, что приводит к увеличению эксплуатационных расходов. Затраты на электроэнергию могут быть на 20-30 % выше по сравнению с традиционными методами очистки, что ограничивает применение технологии в некоторых отраслях. Кроме того, для эффективного функционирования плазматронов требуется сложное оборудование и высококвалифицированный персонал, что также увеличивает затраты на установку и обслуживание. Эти факторы делают технологию менее доступной для предприятий с ограниченными ресурсами. При оценке технологии плазмотронной очистки дымовых газов следует учитывать баланс между её преимуществами и недостатками. Высокая эффективность в удалении сложных загрязнителей и снижение выбросов оксидов азота делают эту технологию перспективной для улучшения экологической ситуации. Тем не менее, значительные затраты на электроэнергию и оборудование могут стать препятствием для её широкого внедрения. Успешные примеры применения, такие как внедрение более 150 установок в Китае в 2020 году, демонстрируют, что при правильной организации процесса возможно добиться значительного снижения выбросов вредных веществ, что подтверждает конкурентоспособность технологии в современных условиях. В этом контексте важно отметить, что «научной статье с научных и инженерных позиций найдены и обоснованы эффективные пути глубокой переработки высоковязкой тяжелой нефти Ашальчинского месторождения» [7]. Это подчеркивает значимость научных исследований для оптимизации технологий, таких как плазмотронная очистка, в условиях современных экологических вызовов. 5. Сравнительный анализ с другими методами очистки. Очистка дымовых газов является важным аспектом ЭБ, особенно в промышленности. Существуют различные методы, направленные на снижение выбросов загрязняющих веществ. Среди них можно выделить скрубберы, электрофильтры и каталитические нейтрализаторы. Скрубберы обеспечивают высокую эффективность улавливания твердых частиц, достигая 99 %, однако их эффективность в удалении газообразных загрязнителей, таких как оксиды азота, ограничена. Электрофильтры также демонстрируют высокую эффективность в улавливании твердых частиц, но имеют ограничения в работе с мелкодисперсными и газообразными веществами. Каталитические нейтрализаторы способны разрушать газообразные загрязнители, однако их применение связано с высокими эксплуатационными затратами и необходимостью использования катализаторов, подверженных деградации. Плазмотронная технология выделяется среди других методов очистки благодаря своей способности разрушать молекулы вредных веществ, таких как диоксиды серы и азота, с эффективностью более 90%. В отличие от традиционных методов, она не только улавливает загрязнители, но и преобразует их в менее вредные соединения или полностью разрушает. Это достигается благодаря использованию высокотемпературной плазмы, которая создает условия для химических реакций, недоступных при обычных температурах. Более того, плазмотронная технология позволяет обрабатывать широкий спектр загрязнителей, включая сложные органические соединения, что делает её универсальной и перспективной. 6. Рекомендации по улучшению ЭБ. Разработка эффективных мероприятий по снижению выбросов. Источники выбросов, возникающих в процессе вакуумной перегонки атмосферного остатка, включают в себя продукты сгорания топлива в нагревательных установках, выбросы от вспомогательных систем и утечки летучих органических соединений. Для характеристики этих выбросов необходимо учитывать их количественные и качественные параметры, такие как объемы выбросов, концентрация вредных веществ, а также их токсичность. Например, выбросы оксидов серы и азота являются основными загрязнителями, которые оказывают негативное воздействие на окружающую среду и здоровье человека. Согласно данным ВОЗ, загрязнение воздуха связано с миллионами смертей ежегодно, что подчеркивает необходимость точного определения источников и характеристик выбросов [10]. Для снижения выбросов при вакуумной перегонке атмосферного остатка необходимо внедрение комплекса мероприятий, включающего оптимизацию технологических процессов, использование эффективных систем очистки газов и применение инновационных технологий. Одним из наиболее перспективных подходов является плазмотронная технология, которая позволяет значительно сократить выбросы оксидов азота и серы. Данные Агентства по охране окружающей среды США показывают, что современные системы очистки газов на промышленных объектах могут снизить выбросы вредных веществ на 90%. Эти меры не только уменьшают экологическую нагрузку, но и способствуют повышению энергоэффективности производственных процессов. 7. Внедрение инновационных технологий в промышленность. Инновационные технологии играют ключевую роль в повышении экологической безопасности промышленных процессов. Одной из таких технологий является плазмотронная очистка дымовых газов, которая демонстрирует высокую эффективность в снижении выбросов вредных веществ. Использование плазматронов позволяет значительно уменьшить концентрацию оксидов азота и серы в выбросах, достигая снижения на 80 % и 90 % соответственно. Это достигается за счет применения высокотемпературной плазмы, которая активно разрушает молекулы загрязняющих веществ, переводя их в менее опасные соединения. Такие технологии не только способствуют улучшению экологической ситуации, но и повышают экономическую эффективность предприятий за счет снижения затрат на экологические штрафы и улучшения общественного имиджа. Примеры успешного внедрения плазмотронных систем очистки в промышленности подтверждают их эффективность и перспективность. В 2020 году на одной из нефтеперерабатывающих установок в России была установлена плазмотронная система очистки, что позволило сократить выбросы вредных веществ на 70 %. Это не только улучшило экологическую обстановку в регионе, но и продемонстрировало, что такие технологии могут быть интегрированы в действующие промышленные процессы с минимальными изменениями в их структуре [11]. Подобные примеры подчеркивают необходимость дальнейшего использования и развития инновационных технологий для достижения экологической устойчивости. 8. Перспективы дальнейших исследований и разработок. Внедрение инновационных технологий в нефтепереработке и связанных с ней процессах, таких как вакуумная перегонка атмосферного остатка, требует постоянного совершенствования и разработки новых подходов. Согласно данным Международного энергетического агентства (IEA), использование передовых технологий может сократить выбросы парниковых газов на 15-20 % в ближайшие десятилетия. Это подчеркивает необходимость углубленных исследований в области повышения эффективности таких технологий, как плазмотронная очистка дымовых газов, а также разработки новых методов, направленных на минимизацию экологического воздействия производственных процессов. Дальнейшие исследования должны быть сосредоточены на оптимизации существующих технологий, снижении их эксплуатационных затрат и повышении доступности для широкого применения в промышленности [12]. Заключение. В ходе проведенного исследования были рассмотрены экологические аспекты процесса вакуумной перегонки атмосферного остатка, включая его влияние на окружающую среду и здоровье человека. Анализ показал, что данный процесс, несмотря на свои технологические преимущества, сопровождается значительными выбросами вредных веществ, таких как оксиды азота и серы, а также летучие органические соединения. Эти выбросы оказывают негативное воздействие на качество воздуха и здоровье населения, что подчеркивает необходимость разработки и внедрения эффективных технологий для их снижения. На основе проведенного анализа были предложены рекомендации по улучшению ЭБ процессов переработки нефти. В частности, технология плазматронной очистки дымовых газов была выделена как перспективное решение, позволяющее значительно сократить выбросы вредных веществ. Ее внедрение в промышленность требует дополнительных инвестиций, однако долгосрочные экологические и социальные выгоды делают этот подход оправданным. Также были обозначены перспективы дальнейших исследований в области повышения эффективности плазмотронных технологий и их адаптации для различных промышленных процессов.
Номер журнала Вестник науки №6 (87) том 2
Ссылка для цитирования:
Шелепова Д.Д., Ахтямов М.Х. МЕРОПРИЯТИЯ ПО СНИЖЕНИЮ ВРЕДНЫХ ВЫБРОСОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ ПЛАЗМОТРОНА ДЛЯ ОЧИСТКИ ДЫМОВЫХ ГАЗОВ // Вестник науки №6 (87) том 2. С. 2268 - 2280. 2025 г. ISSN 2712-8849 // Электронный ресурс: https://www.вестник-науки.рф/article/24158 (дата обращения: 09.07.2025 г.)
Вестник науки © 2025. 16+