Способ оздоровления черного моря от сероводородного заражения - RU2704683C1

Чертежи

Описание

Изобретение относится к экологии, к извлечению энергетических и минеральных возобновляемых ресурсов из глубинных вод Черного моря

В Черном море количество сероводорода составляет около 10 млрд. тонн с содержанием 14-16 мг/л у дна моря на глубине более 500 м. Черное море осуществляет водообмен со Средиземным морем через мелководный Босфорский порог. В Мраморное море и далее уходит опресненная речными стоками более легкая черноморская вода, а навстречу ей, точнее под ней, через Босфорский порог в глубину Черного моря перемещается более соленая и тяжелая средиземноморская вода [http//rr.nmu.org.uapdf201420140926-43.pdf]. Турбулентность воды Черного моря приводит к формированию «жидких выпуклых линз мертвой воды» в большой линзе, расположенной в срединной, глубокой части Черного моря. К XX веку 92% объема Черного моря заражено сероводородом и ежегодный прирост сероводорода составляет 70-80 млн. тонн. При этом кислород из воздуха осуществляет аэрацию верхнего слоя воды Черного моря на глубину 25÷50 метров. Сероводород токсичен, смертельная доза в воздухе 1 мг/л, взрывоопасен при 4,5-45,5 объемных процентов на воздухе. Естественно, что сокращение концентрации сероводорода в Черном море может быть достигнута при удалении наиболее загрязненной части отложений. Целесообразно поднять на поверхность моря именно суспензию со дна. В этой связи активная, нарастающая утилизация сероводорода и серосодержащих веществ - одна из основных задач, которая стоит перед странами Причерноморья.

Известен способ добычи сероводорода со дна Черного моря (Адамович Б.Ф., Дербичев А.Б., Дудов В.И. Патент РФ №2338869 МПК Е21В 43/00, Е21В 43/36, Бюл. №32, опуб. 20.11.2008) - аналог. Согласно изобретению, трубу из нержавеющей стали или полимерных материалов, протянутую до глубины сероводородного слоя в морской воде, соединяют с баком, расположенным на побережье, образуя между баком и морем сообщающиеся сосуды. Водяным насосом перемещают сероводородную воду в водоструйный насос, захватывая при этом вакуумной полостью водоструйного насоса сероводород, выделившийся из сероводородной воды в связи с резким снижением давления. Образовавшуюся газо-водную эмульсию разбрызгивают центробежной форсункой в отдельной емкости и окончательно отделяют сероводород от чистой воды, которую возвращают морю, а сероводород через пеноотбойники направляют на сжигание и получение горячего водяного пара для работы турбоэлектрогенератора. Сернистый газ направляют на завод по производству сернистой и серной кислот.

К совпадающим признакам аналога и предлагаемого изобретения следует отнести:

1. Трубы из нержавеющей стали или полимерных материалов для перемещения сероводородной воды из глубин Черного моря.

2. Емкости, в которой отделяется сероводород от чистой воды, а также возвращение в море воду, очищенную от сероводорода.

К основным недостаткам аналога следует отнести то, что:

1. Сероводородная вода из глубин Черного моря направляется на побережье и поэтому труба, по которой она доставляется, должна иметь большую длину, но при этом срок ее эксплуатации зависит от концентрации растворенной серы, которая уменьшаться в процессе эксплуатации трубы, т.к. на большой глубине выравнивание концентрации сероводорода длительный процесс.

2. Процесс постоянного извлечения сероводородной воды Черного моря, является дорогостоящим, экологически небезопасным.

3. Реализация способа целесообразна только при наличии больших глубин (более 200 м) возле побережья

Известен способ очистки природных водоемов от сероводорода (Варшавский И.Л., Максименко А.И., Терещук B.C. // Патент РФ №2123476, МПК C02F 1/20, С25В 1/00, С25В 1/02 от 20.12.1998 г.) - прототип. Способ включает подъем придонных вод, насыщенных сероводородом к поверхности, выделение из них сероводорода и разложение его на элементы. Подъем воды осуществляют в вертикальном трубопроводе, в нижней части которого устанавливают вертикальные пластины активированного алюминия, а разложение сероводорода на элементы осуществляют в электролизере.

Для движения воды вверх по трубе используется эффект эрлифта (газлифта). В нижней части трубы устанавливают вертикальные пластины, например, из активированного алюминия. При взаимодействии с морской водой такие пластины частично разлагают воду, выделяя при этом водород, который поднимаясь вверх, увлекает вверх и воду. Из движущейся к поверхности воды, суспензии, за счет падения давления начинает выделяться растворенный сероводород, что усиливает эффект эрлифта.

С помощью насоса осуществляют движение воды в вертикальном трубопроводе вверх, по мере подъема и, следовательно, при уменьшении давления в воде, тем больше увеличение выделения сероводорода, и дальнейшее вертикальное движение пульпы вверх обеспечивается само собой, как в эрлифте. После этого насос останавливают и клапан перед ним закрывают, отделяют сероводород от воды и компрессором подают его в электролизер, сжижают сероводород и разлагают его в жидком виде на элементы. Полученный водород частично используют для получения энергии, необходимой для сжатия и разложения сероводорода и большую часть - в качестве экологически чистого горючего. Серу используют в химической промышленности, а очищенную воду возвращают в водоем, увеличивая глубину раздела между чистой и отравленной водой, а также увеличивая при этом глубину проникновения в воду аэробных бактерий.

К совпадающим признакам прототипа и предлагаемого изобретения следует отнести следующие:

1. Подъем придонной воды насосом в вертикальном трубопроводе и клапан для начала работы и остановки процесса.

2. Получение газоводяного фонтана за счет разности гидростатического давления на уровне нижнего среза трубы и уровня поверхности моря, т.е. использование эффекта эрлифта (газлифта).

3. Устройство для отделения сероводорода от воды.

4. Использование электролизера для выделения водорода.

5. Возвращение очищенной воды в море.

К основным недостаткам прототипа следует отнести то, что:

1. Платформа ограничена возможностью осуществлять перемещение при извлечении сероводорода на разных глубинах.

2. Сжиженный сероводород опасен, т.к. он является самовоспламеняющимся веществом.

3. Способ не предусматривает возможность извлечения различных минеральных ресурсов из придонной суспензии.

Целью предлагаемого изобретения является способ оздоровления Черного моря от сероводородного заражения. Из холодной придонной воды и суспензии извлекают серу, цветные и редкие металлы, а также водород. Очищенную при этом воду возвращают в море.

Цель достигается тем, что оздоровление Черного моря от сероводородного заражения осуществляют путем многократного извлечения холодной придонной воды и суспензии по вертикальным многосекционным трубопроводам, которые стационарно устанавливают на разных глубинах моря, причем на трубопроводах установлены буйки, каждый из которых содержит информацию о составе придонной воды и суспензии, к любому трубопроводу может подойти судно для подсоединения к нему с помощью гибкого шланга горизонтального трубопровода с отводами и клапанами, размещенного на судне, на котором насосами дополнительно забирают забортную воду с поверхности моря, используют котел для нагрева забортной воды, а затем нагретую воду через отводы с клапанами поочередно направляют в емкости, где каждую емкость с крышкой располагают внутри источника постоянного нагрева, поддерживая в них контролируемую температуру для разложения сероводорода на коагулированную серу, цветные, редкие металлы и газообразную среду, осуществляют многократное поочередное перемещение в емкости порций нагретой забортной воды и холодной придонной воды и суспензии, излишек воды в емкостях после каждого порционного заполнения извлекают насосом, извлеченный при этом избыток воды направляют в отстойник, где после барботирования воздухом, очищенную воду возвращают в море, а водород, полученный в электролизере из газообразной среды, используют в качестве топлива.

1. В отличие от прототипа, в котором извлечение сероводородной воды осуществляется постоянно из одного локального места, в предполагаемом изобретении извлечение холодной придонной воды и суспензии осуществляют по вертикальным многосекционным трубопроводам, которые установлены с помощью судно-трубоукладчика, стационарно на разных глубинах моря. На трубопроводах установлены буйки, каждый из которых содержит информацию о составе придонной воды и суспензии. На судне трубоукладчика, в лаборатории, с помощью измерительного оборудования проводят исследования объекта по его содержанию серы и минеральных ресурсов. Установку вертикальных многосекционных трубопроводов производят с учетом жизнедеятельности людей, проживающих в Причерноморье, а также мест, куда впадают реки. Использование многократно вертикальных многосекционных трубопроводов, расположенных стационарно на разных глубинах моря, позволяет из любой глубины извлекать придонную воду и суспензию, насыщенные минеральными и энергетическими ресурсами и, тем самым, осуществлять оздоровление Черного моря от сероводородного заражения. Для поддержки стабильного уровня содержания серы в Черном море необходим флот кораблей.

2. В отличие от прототипа, в предполагаемом изобретении извлечение холодной придонной воды и суспензии осуществляют с помощью многосекционного трубопровода, что позволяет наращивать длину трубы для различных глубин (Фиг. 1).

3. В отличие от прототипа, в котором подъем придонной сероводородной воды обеспечивается насосом, который организуют движение воды в вертикальном трубопроводе вверх, а остановка процесса осуществляется закрытием клапана, в предполагаемом изобретении на судне имеется горизонтально расположенный трубопровод, который содержит отводы с клапанами для последовательного заполнения емкостей сначала забортной водой с помощью насоса с клапаном, а затем придонной водой и суспензией. Такое решение позволяет автоматизировать процесс поочередного заполнения емкостей и увеличить производительность процесса.

4. В прототипе заполнение газоводяным фонтаном из сероводорода и суспензии необходима емкость, в которой растворенный сероводород отделятся от воды. В предлагаемом изобретении сероводород отделятся не только от воды, но и от серы и серосодержащих соединений цветных и редких металлов. Процесс многократного заполнения емкостей порциями холодной придонной воды и суспензии, поступающей в нагретую воду, при контролируемой температуре нагрева, способствует уменьшению растворимости сероводорода (Фиг. 2) и, как следствие, разложению его на элементы, а также интенсификации процесса осаждения коагулированной серы, цветных и редкоземельных металлов (Фиг. 3). В связи с длительностью процесса многократного поочередного заполнения емкостей забортной и придонной водой, возникает необходимость в использовании партии емкостей. Наличие партии емкостей обусловлено удобной эксплуатацией емкостей при загрузках-разгрузках. Каждая емкость располагается внутри источника постоянного нагрева до заданной температуры. Такое решение позволяет получить постоянную температуру в объеме емкости и способствует закреплению емкостей на судне.

5. Контроль температуры осуществляется датчиком температуры, который находится в одном положении на верхнем уровне первоначально нагретой воды. Объем воды в емкости увеличивается после каждого порционного заполнения холодной водой, поэтому извлечение избыточной воды осуществляется насосом через вертикальную трубку, проходящую во внутрь емкости через крышку, на заданную глубину. Контроль уровня воды осуществляется за счет расчета порционного заполнения емкости придонной водой и заданной глубины трубки внутри емкости.

6. Наличие крышки на каждой емкости обеспечивает безопасную работу экипажа, т.к. сероводород - ядовитый бесцветный газ с характерным резким запахом (Фиг. 4), а также обеспечивает безопасную утилизацию газообразной среды, содержащей водород, которая поднимаясь вверх в крышке емкости, направляется к электролизеру, в котором разделяется на воду и водород. К крышке присоединены отводы для заполнения емкости нагретой забортной водой, холодной придонной суспензией, отвод для электролизера, а также отвод для извлечения избыточной воды в емкости.

7. Отстойник – емкость, в которой осуществляют барботирование воздухом отработанной воды, извлекаемой из емкостей, с целю очищения воды, которую возвращают в море

8. Судно содержит горизонтальный трубопровод, насосы и отводы с клапанами, емкости с крышками, электролизер для получения водорода, котел для нагрева воды, источник постоянного нагрева емкостей и поддержания в них с заданной температуры, а также возможность размещения партий емкостей, приспособления для швартовки судно-перевозчиков, что позволяет судну работать в автономном режиме. Суда-перевозчики поставляют извлеченные минеральные ресурсы Черного моря предприятиям, работающим на берегу. Это способствует обеззараживанию вод Черного моря и использованию возобновляемых ресурсов во многих отраслях индустрии.

Суть изобретения состоит в том, что способ оздоровление Черного моря от сероводородного заражения основан на природном процессе разложения сероводорода, растворенного в воде поступающим из атмосферы кислородом. Разложение сероводорода осуществляется путем смешивания верхних слоев морской воды, содержащей кислород, с холодной сероводородсодержащей водой. На воздухе сероводородная вода постепенно окисляется до свободной серы, которая выпадает в осадок на дно в виде коагулированной серы 2H₂S+О₂=2S+2Н₂O.

Исключительная экономическая зона России, шириной в 200 морских миль (370 км), позволяет осуществлять разведку, разработку и сохранение природных ресурсов, управление этими ресурсами, производство энергии путем использования воды. Поэтому извлечения энергетических и минеральных ресурсов в Черном море возможно от 100 м до 2000 м (Фиг. 1) от береговых контуров России.

Оздоровление Черного моря от сероводородного заражения осуществляют путем многократного извлечения холодной придонной воды и суспензии по вертикальным многосекционным трубопроводам, которые устанавливаются судном-трубоукладчиком стационарно на разных глубинах моря. Установку вертикальных многосекционных трубопроводов производят с учетом жизнедеятельности людей, проживающих в Причерноморье, а также мест, куда впадают реки. Судно-трубоукладчик имеет лабораторию с измерительным оборудованием для характеризации объекта: содержание серы, минеральных ресурсов, тяжелой воды. Информацию по каждому объекту записывают на электронный носитель для создания базы данных, необходимой для безопасного судоходства и контроля за объектами. На трубопроводах установлены буйки, каждый из которых содержит информацию о составе придонной воды и суспензии. К любому трубопроводу может подойти судно для подсоединения к нему с помощью гибкого шланга горизонтального трубопровода с отводами и клапанами, размещенного на судне, на котором осуществляют очистку придонной воды и суспензии от сероводорода.

Эффект эрлифта позволяет осуществлять подъем с помощью насоса с клапаном порции холодной придонной воды и суспензии по вертикальному многосекционному трубопроводу, а затем по упрочненному гибкому шлангу к горизонтальному трубопроводу, размещенному на судне. На судне сначала насосами дополнительно забирают забортную воду с поверхности моря, используют котел для нагрева забортной воды, а затем нагретую воду через отводы с клапанами поочередно направляют в емкости, где каждую емкость с крышкой располагают внутри источника постоянного нагрева, поддерживая в них контролируемую температуру для разложения сероводорода на коагулированную серу, цветные, редкие металлы и газообразную среду. Многократное заполнение емкостей порциями придонной воды и нагрев ее до заданной температуры, приводит к понижению растворимости сероводорода (Фиг. 3) в придонной воде и суспензии, разложению сероводорода на коагулированную серу, цветные, редкие металлы и газообразную среду, содержащую водород, при этом поддерживается контролируемый уровень воды в емкостях, избыток которой направляется в отстойник, где после барботирования воздухом, очищенная вода возвращается в море. Наличие системы насосов с клапанами позволяет автоматизировать процессы и, тем самым, обеспечить безопасную работу экипажа. Наличие крышки на каждой емкости также обеспечивает безопасную работу экипажа, а также безопасную утилизацию газообразной среды, которая поднимаясь вверх в крышке, направляется к электролизеру, в котором разделяется на воду и водород, который используют в качестве топлива. В связи с длительностью процесса многократного заполнения емкостей порциями придонной воды и нагрев ее до заданной температуры, возникает необходимость в использовании и размещении на судне партии емкостей для работы судна в автономном режиме.

Пример 1.

При реакции 2H₂S+О₂=2S+2Н₂О образуется сера, которая оседает под действием силы тяжести. Для процесса оздоровления Черного моря от сероводородного заражения многократного используют вертикальные многосекционные трубопроводы, установленные стационарно на разных глубинах моря. На трубопроводах установлены буйки, каждый из которых содержит информацию о составе придонной воды и суспензии. К любому трубопроводу может подойти судно, на котором осуществляют очистку придонной воды и суспензии Черного моря от сероводорода.

Судно-трубоукладчик специализируется на вертикальном расположении трубопроводов и наращивает длину трубы для разных глубин за счет секций. Основание нижней секции трубы выполнено с учетом устойчивого положения на дне грунта. Для стабильного вертикального положения трубы на ней закрепляют устройства в виде зонтика. Трубы выполняют из металла или полимерных материалов, диаметром менее 0,5 м. Труба имеет отверстия для забора придонной суспензии на уровне основания и выше. На судне размещен горизонтальный трубопровод, диаметром не более 0,5 м, который с помощью гибкого армированного шланга подсоединяют к вертикальному трубопроводу для подъема глубинной придонной воды и суспензии, имеющей температуру ~7÷10°С. На судне насос с клапаном организует движение забортной воды с поверхности моря в котел, работающий на водороде. Затем по горизонтальному трубопроводу нагретую воду, имеющую температуру ~80°С через отводы с клапанами поочередно направляют в емкости с крышками. Каждая емкость, выполненная из теплопроводящего материала и располагается внутри источника постоянного нагрева. Нагрев может осуществляться как горячей водой, так и с помощью электроэнергии, вырабатываемой солнечными панелями с использованием в качестве накопителя энергии аккумуляторы.

Подъем порции глубинной придонной воды и суспензии осуществляют с помощью насоса с клапаном по вертикальному многосекционному, а затем горизонтальному трубопроводу через отводы с клапанами в емкости с нагретой забортной водой. Процесс заполнения емкостей забортной водой и порциями глубинной суспензией и ее нагрев до 80°С осуществляют по программе в автоматическом режиме. Многократное поочередное заполнение емкостей порциями придонной воды и нагрев ее до заданной температуры, приводит к понижению растворимости сероводорода в воде с придонной суспензией, разложению сероводорода на коагулированную серу, цветные, редкие металлы и газообразную среду, содержащую водород. При этом поддерживается контролируемый уровень воды в емкостях, избыток воды направляется в отстойник в виде емкости с отверстиями, где после барботирования воздухом, а очищенная вода возвращается в море. Водород, полученный в электролизере из газообразной среды, используют для нагрева воды. Осажденные сера, золото, платина, палладий, серебро, медь, индий и др. цветные и редкие металлы заполняют емкости до контролируемого уровня. Эти емкости загружают на судно-перевозчик для доставки на берег, заменяя их на следующую партию емкостей. Наличие крышки на каждой емкости обеспечивает безопасную работу экипажа, а также обеспечивает безопасную утилизацию газообразной среды, которая поднимаясь вверх в крышке емкости, направляется к электролизеру, в котором разделяется на воду и водород. К крышке присоединяют отводы для заполнения емкости нагретой забортной водой, холодной водой с придонной суспензией, отвод для электролизера, а также отвод для извлечения избыточной воды в емкости.

Реферат

Изобретение относится к экологии и энергетике, в частности к извлечению из глубинных вод Черного моря сероводорода, серы, водорода, цветных и редких металлов. Способ основан на природном процессе разложения сероводорода, растворенного в воде поступающим из атмосферы кислородом путем смешивания верхних слоев морской воды, содержащей кислород, с холодной сероводородсодержащей водой. На воздухе сероводородная вода постепенно окисляется до свободной серы, которая выпадает в осадок на дно в виде коагулированной серы 2HS+О=2S+2НО. Для осуществления способа многократно извлекают холодную придонную воду и суспензию по вертикальным многосекционным трубопроводам. Трубопроводы стационарно устанавливают на разных глубинах моря. На трубопроводах устанавливают буйки с информацией о составе придонной воды и суспензии. К любому трубопроводу может подойти судно для подсоединения к нему с помощью гибкого шланга горизонтального трубопровода с отводами и клапанами, размещенного на судне. Насосами дополнительно забирают забортную воду с поверхности моря, используют котел для нагрева забортной воды. Нагретую воду через отводы с клапанами поочередно направляют в емкости, где каждую емкость с крышкой располагают внутри источника постоянного нагрева. Поддерживают контролируемую температуру для разложения сероводорода на коагулированную серу, цветные, редкие металлы и газообразную среду. Осуществляют многократное поочередное перемещение в емкости порций нагретой забортной воды и холодной придонной воды и суспензии. Излишек воды в емкостях после каждого порционного заполнения извлекают насосом. Извлеченный избыток воды направляют в отстойник, где после барботирования воздухом очищенную воду возвращают в море. Водород, полученный в электролизере из газообразной среды, используют в качестве топлива. Достигается технический результат – осуществление безопасного извлечения энергетических и минеральных ресурсов и обеспечение доступа к трубопроводам на разных глубинах. 4 ил.

Формула