Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал), 2014, № 12 (спецвып.)

ДИСТАНЦИОННЫЕ
МЕТОДЫ,
ТЕХНИЧЕСКИЕ
СРЕДСТВА
И АЛГОРИТМЫ
В ПРИКЛАДНЫХ
ЗАДАЧАХ
ИССЛЕДОВАНИЯ
ПРИРОДНЫХ СРЕД

УДК 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Б 51 

502:303.4 
Б 51 
 
 
Книга соответствует «Гигиеническим требованиям к изданиям книжным для взрослых» СанПиН 1.2.1253-03, утвержденным Главным государственным санитарным врачом России 30 марта 2003 г. (ОСТ 
29.124—94). Санитарно-эпидемиологическое заключение Федеральной 
службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия
человека № 77.99.60.953.Д.014367.12.13 
 
 
Бернавская М.В., Стаценко В.Н., Горовой С.В., Аксенов В.П., 
Кантур В.А., Петросьянц В.В., Ломакин А.Ф., Стеценко Г.А., 
Школьный С.И., Сошина Н.С., Гарасев И.В., Ким А.В.,  
Надымов А.В., Орощук И.М., Сучков А.Н., Василенко А.М., 
Родионов А.Ю., Кулик С.Ю., Стаценко Л.Г., Пуговкина О.А., 
Унру П.П., Титов П.Л., Щеголева С.А., Буренин А.В.,  
Моргунов Ю.Н., Волков П. А., Короченцев В.И., Волкова А.А., 
Стробыкин Д.С. 

Дистанционные методы, технические средства и алгоритмы в

прикладных задачах исследования природных сред: Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). Отдельные статьи (специальный выпуск). — 2014. — № 12. —
180 с.— М.: Издательство «Горная книга». 

ISSN 0236-1493 

Представлены материалы научных исследований, по приоритетным направлениям Программы развития ДВФУ и Программы повышения конкурентоспособности ДВФУ среди ведущих мировых научно-образовательных центров на 20132020 гг. и поддержанных Министерством образования и науки  РФ «Госзадание 
№ 11-41». Рассмотрены вопросы, относящиеся к дистанционным методам исследования морской среды, мониторинга  состояния водной поверхности. Исследованы вопросы проектирования каналов связи, повышения их эффективности. Уделено внимание проблемам экологической безопасности.  
Сборник будет полезен техническим работникам занимающимся вопросами 
дистанционного зондирования природных сред, а также студентам и аспирантам. 
 

УДК 502:303.4

©  Коллектив авторов, 2014 
©  Издательство «Горная книга», 2014 
ISSN 0236-1493 

©  Дизайн книги. Издательство  
«Горная книга», 2014 

УДК 621.187.7: 662.61-634.2 
© М.В. Бернавская, В.Н. Стаценко, 2014 
 

КОМПЛЕКСНОЕ РЕШЕНИЕ ПРОБЛЕМЫ 
ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ  
АВТОНОМНЫХ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ  
СООРУЖЕНИЙ 

Эксплуатация судов и автономных гидротехнических сооружений связана 
с экологической проблемой сброса нефтесодержащих и сточных вод в водную среду, а также выброса токсичных газов в воздушную среду. Решение 
проблемы снижения токсичности газовых выбросов от судовых энергетических установок возможно осуществить с помощью различных мероприятий. Для судовых условий с высокими требованиями к массе и габаритам установок, минимальным запасам реагентов и другими специфическими показателями наиболее оптимальными необходимо признать мокрые 
методы очистки выхлопных газов. Для этой цели нами разработано несколько конструкций жидкостных нейтрализаторов, основанных на контакте очищаемых газов с вертикальной нисходящей или восходящей пленкой жидкости. Схема переработки сточных вод может быть представлена с помощью выпарного аппарата, где происходит их глубокое упаривание 
до кратности 10...20. Огневое обезвреживание остатков сточных и нефтесодержащих вод производится сжиганием их в топках паровых котлов в 
виде водотопливных эмульсий. Предложенная схема комплексного совершенствования экологической безопасности судовых энергетических установок возможно применять на крупных судах с развитой системой энергообеспечения и большим экипажем (плавбазы, пассажирские суда, морские 
добывающие платформы). 
Ключевые слова: суда, автономные гидротехнические сооружения, экологическая проблема, сброс нефтесодержащих и сточных вод, выброс токсичных газов, жидкостные нейтрализаторы, выпарной аппарат, остатки 
сточных и нефтесодержащих вод, сжигание в топках паровых котлов, водотопливные эмульсии. 
 
Эксплуатация судов и автономных гидротехнических сооружений связана с экологической проблемой сброса нефтесодержащих и сточных вод в водную среду, а также выброса токсичных газов в воздушную среду. Так наши испытания различного 
оборудования на промысле в море на рыбообрабатывающих 
плавбазах типа «В.Чернышев», «Пищевая индустрия» и других (с 
экипажем в 300-500 чел.) показали, что накопление нефтесодер

жащих вод на судне может составлять до 30-50 т/сут (при содержании нефтепродуктов 200-500 мг/л и солесодержании 1-5 г/л), 
сточных вод (фановых, мытьевых и технологических) в сумме – 
до 140-170 т/сут. [1]. 
Твердые отходы образуются в процессе эксплуатации судовых механизмов и производственных установок (ветошь, фильтры, древесина, шлам нефтепродуктов после сепарации и др.), а 
также в процессе жизнедеятельности экипажа и пассажиров (бумага, тряпки, упаковка, пищевые отходы). Объем производственных отходов зависит от мощности энергетической установки и 
технического состояния механизмов. На пассажирском судне с 
экипажем до 400 чел. накопление твердых бытовых отходов может составлять до 150 кг/сут., пищевых – до 250 кг/сут., а всего с 
производственными отходами – до 420 кг [2]. 
Эти данные могут быть использованы для оценки количества 
сбросов жидких и твердых отходов в морскую водную среду автономных морских гидротехнических сооружений. 
В настоящее время одним из эффективных методов снижения загрязнения окружающей среды является нормирование выбросов и сбросов. Мировое сообщество уже в 1954 г. (и затем в 
1973 и 1978 гг.) установило ряд требований (Международная 
конвенция по предотвращению загрязнения с судов МАРПОЛ 
73/78), регламентирующих нормы сброса с судов нефтесодержащих и сточных вод, а также мусора. В 1997 г. введено еще одно 
приложение (Приложение VI) к этой конвенции — «Правила предотвращения загрязнения воздушной среды с судов». Этим документом устанавливаются нормы и требования, направленные на 
предотвращение загрязнения с судов озоноразрушающими веществами, окислами азота, окислами серы и летучими органическими соединениями. 
Особый интерес вызывают выбросы токсичных составляющих выхлопных газов судовыми энергетическими установками 
(СЭУ) в атмосферу. В связи с общим ухудшением чистоты атмосферного воздуха и особенно в местах интенсивного скопления 
судов (порты, проливы, места добычи нефти и газа и др.) в последнее десятилетие начались работы по разработке нормативов 
для токсичных выбросов в атмосферу с судов. Особенно заинтересованными оказались прибалтийские скандинавские государст

ва (Финляндия, Норвегия и др.), подверженные воздействию кислотных дождей. Для судовых энергетических установок нормативные документы по выбросам находятся в стадии рассмотрения 
различными сторонами и последующего их утверждения. 
Международной Морской Организацией (IMO) предложено 
Международное соглашение по ограничению выброса с выхлопными газами судовых дизелей оксидов азота (NOх) [3]. Количественно это ограничение Спр (г/кВт⋅ч) определяется частотой вращения вала n (об/мин) двигателя:  
— для ДВС с n < 130   
Спр = 17; 

— для 130 ≤ n < 2000  
Спр = 45 ⋅ n-0,2;  
(1) 

— для n ≥ 2000 
Спр = 9,84 
Предлагается ввести эти ограничения на выбросы только для 
новых судов, входящих в эксплуатацию после 2001 г. 
Представленные нормативы показывают, что наиболее высокие требования предъявляются для быстроходных ДВС (рис. 1), 
которые имеют значительную токсичность выхлопных газов и 
используемых чаще в качестве главных двигателей в прибрежной 
зоне и в портах. В качестве вспомогательных (дизельгенераторов) такие двигатели также интенсивно используются на 
гидротехнических сооружениях. Т.е. они интенсивно загрязняют 
атмосферу и требуют большего внимания к очистке газов. 
Для прибрежных территориальных вод Калифорнии разработано два региональных предложения по регулированию выбросов NOх с судовых двигателей. Калифорнийским Департаментом 
воздушных ресурсов (CARB) 
предлагается производить ограничение выброса NOх в количестве 600 ррm при 15 % содержании в газах О2 для вспомогательных двигателей и новых судов. Для существующих 
судов предлагается ограничение в выбросе 750 ррm (при 15 
% О2) для вспомогательных 
двигателей и 600 ррm (при 15 
% О2) для главных ДВС. При 

500         1000    1500  n, об/мин

NOx
г/кВт ч

20

16

12

8

2

1

 

Рис. 1. Нормирование выбросов NOx:
1 — предложение IMO; 2 — предложение EPA 

этом используемое топливо должно содержать сернистых соединений Sp< 0,05 %. 
Второе предложение разработано Агентством защиты окружающей среды (ЕРА) штата Калифорния США. В нем предлагается использовать плату за выброс окислов азота при заходе судов в порты Лос-Анжелеса (Лонг Бич) [3]: 
— базовая плата за выброс — 10000 USD/т NOх; 
— расчет базового количества (норма) выброса 

NOх (г/кВт⋅ч) = 64,3 ⋅ n-0,2  
 (2) 
— снижение оплаты составляет 
90 % — за 80 % снижения NOх; 
50 % — за 30...80 % снижения NOх;  
(3) 

0 % — за < 30 % снижения NOх. 
В этом предложении нормы газовых выбросов NOх рассчитываются по зависимости, аналогичной предложенной IMO (1). Численно в этом предложении выбросы имеют повышенные по сравнению с зависимостью (1) значения на 42 %. Т.е. ЕРА предлагает 
использовать менее жесткие по сравнению с IMO нормы (рис. 1). 
Представленные предложения по ограничению выбросов NOх 
предлагается использовать в прибрежной зоне штата Калифорния, 
ограниченной расстоянием от берега 27...102 мили. В соответствии 
с этим за пределами этой зоны двигатели должны работать в режиме максимальной экономичности, а в пределах зоны ограничений выбросов — в режиме низкой концентрации NOх в выхлопных 
газах. Этот метод нормирования способствует разработкам новых 
методов и технологий снижения токсичности газовых выбросов. 
Решение проблемы снижения токсичности газовых выбросов 
от СЭУ возможно осуществить с помощью следующих мероприятий: 
— предварительная очистка топлива от соединений серы. Технически эта технология освоена, но затраты на её осуществление в 
настоящее время велики. При очистке жидких топлив (мазутов) путем гидрогенизации стоимость топлива возрастает на 50-80 %; 
— топливоподготовка и регулировка режимных параметров. 
К этим методам для котельных установок можно отнести сжигание при малых избытках воздуха, двухступенчатое сжигание топлива, рециркуляция газов и др. Для дизелей возможно изменение 

конструктивных параметров (форма камеры сгорания, усовершенствование форсунки, варьирование коэффициентом сжатия и 
др.), применение рециркуляции выхлопных газов, использование 
катализаторов и др. [4, 5]. В обоих случаях (для котлов и ДВС) 
эффективно применение водотопливных эмульсий [3, 6]; 
— замена вида топлива или формы эксплуатации СЭУ при 
входе в прибрежную зону. В прибрежных водах топливо меняется 
на более легкое и содержащее меньшее количество сернистых соединений. В таком режиме работают дизели фирмы Wartsila Liesel 
International Ltd, Vasa, Finland (Vasa 20, Vasa 32, Vasa 46) [3]; 
— очистка выхлопных газов перед выбросом в атмосферу. 
Этот метод достаточно полно разработан для очистки выбросов с 
тепловых энергетических установок. Есть методы очистки от 
окислов серы, азота, углерода, сажистых частиц. Эти методы могут использоваться для комплексной очистки газов, а также и для 
очистки от отдельных компонентов с получением полезного продукта. Существуют методы очистки выхлопных газов автомобилей (каталитическая очистка), а также подземного большегрузного транспорта (жидкостная нейтрализация). 
Как показывает опыт в стационарной экозащитной технике 
создать метод очистки дымовых газов, удовлетворяющий всем 
требованиям, пока не удается. В настоящее время только для 
очистки газов от окислов серы предложено более 200 различных 
методов, интенсивно разрабатываются — около 10. 
Все известные методы основаны на избирательной сорбции 
газовых компонентов различными растворами или твердыми 
сорбентами. По этому принципу все методы очистки разделяются 
на мокрые и сухие. 
К простейшим мокрым методам относятся абсорбция с помощью воды, а также более емких поглотителей органического 
происхождения (ксилидин, диметиланилин и др.) или водных 
растворов неорганических веществ (щелочи, аммиачная вода, известняковая и известковая пульпа и др.). В качестве сорбентов 
при сухих методах очистки применяются различные марки активированных углей, полукоксы, силикагели, синтетические смолы, 
окислы и карбонаты щелочноземельных металлов. Процесс поглощения газов происходит на поверхности твердых сорбентов, 
он сопровождается капиллярной конденсацией и химическими 
реакциями (хемосорбция). 

Преимущества мокрых методов очистки заключаются в их 
высокой эффективности, дешевизне реагентов, возможности одновременного улавливания летучей золы, относительно малых 
массо-габаритных показателей установок. 
Для судовых условий с высокими требованиями к массе и габаритам установок, минимальным запасам реагентов и другими специфическими показателями наиболее оптимальными необходимо 
признать мокрые методы очистки выхлопных газов. Для этого имеются неограниченный объем рабочей среды — морской воды, сброс 
её после очистки и нейтрализации может производиться за борт. 
Для этой цели нами разработано несколько конструкций 
жидкостных нейтрализаторов, основанных на контакте очищаемых газов с вертикальной нисходящей или восходящей пленкой 
жидкости [1]. 
В настоящее время многие суда и автономные гидротехнические сооружения имеют системы пресной воды для различных 
технических целей (мытье, смыв, обогрев и др.). Использование 
такой воды уменьшает отложения и коррозию на поверхностях 
трубопроводов. Применение этой воды увеличивает срок эксплуатации систем трубопроводов в 2-3 раза. 
Сточные воды на судах обычно имеют низкое солесодержание. Наши измерения в разных помещениях (отсеках) на рыбомучной базе «В.Чернышев» показали, что солесодержание этих вод 
составляет от 1...2 до 4...5,6 г/л [1] при солесодержании морской 
воды 35 г/л. Эти данные позволяют предложить использование метода выпаривания для концентрирования сточных вод. При этом за 
счет низкой минерализации этой воды возможно назначение повышенных параметров по давлению испарения (до 100...150 кПа) и 
кратности упаривания до Gпит/Gрас=10...20. Повышенное давление 
увеличивает скорость деструкции поверхностно-активных веществ 
в сточной воде, а также обеспечивает ее термическое обеззараживание. За счет повышения интенсивности теплообмена уменьшаются габариты выпарной установки, за счет повышения кратности 
упаривания уменьшается объем продувочной воды. Аналогичные 
выпарные установки разработаны в химических производствах для 
снижения количества стоков и получения твердого остатка. 
Схема переработки сточных вод может быть представлена в 
следующем виде. Сточные воды после механической очистки в 

фильтре и сепараторе отстойного типа поступают в выпарной аппарат сточных вод, где происходит их глубокое упаривание до кратности 10...20. Полученная пресная вода используется в качестве технической для подпитки котла, системы охлаждения ДВС, мытьевой 
и смывной воды в системе трубопроводов. Продувочная вода из выпарного аппарата поступает через диспергатор на смешение с топливом и затем на огневое обезвреживание в топку котла. 
Огневое обезвреживание остатков сточных и нефтесодержащих вод обеспечивается сжиганием их в топках штатных паровых котлов в виде водотопливных эмульсий (ВТЭ). 
Эмульсии получают в диспергаторах при смешении остатков 
с котельным топливом (мазутом) с получением дисперсности водяной фракции до 10-50 мкм и влагосодержанием W = 1- 30 %. 
При сжигании ВТЭ не требуется замена штатных форсунок и топливных насосов. 
Эффективность использования ВТЭ в котлах определяется 
повышением их технических, эксплуатационных, экономических 
и экологических характеристик: 
— огневым обезвреживанием нефтесодержащих и сточных 
вод, обводненных нефтепродуктов, при этом экономичная работа 
котла обеспечивается при влагосодержании топлива 10-15 %; 
— снижением токсичности газовых выбросов по окислам углерода (СО) на 30-50 %, окислам азота (NOx) на 18-25 % и по частицам сажи – на 60-80 %; 
— снижением интенсивности отложений на газовой стороне 
поверхностей теплообмена (котельных труб) и увеличением в 2 
раза периода между их очистками; 
— сохранением, а в некоторых случаях повышением экономичности котла. 
Все представленные методы повышения экологической 
безопасности автономных гидротехнических сооружений наиболее эффективно проявляются при комплексном решении поставленной задачи. При этом одновременно производится снижение 
сброса жидких отходов в водную среду и газовых выбросов в атмосферу. 
Схема комплексной системы совершенствования экологической безопасности судовых энергетических установок представлена на рис. 2. 

1
2

3
4

5

6

7

8

9

10

11

12

СВ

За
борт

Топливо

13

Воздух

Газы
Газы

Пар

Вода

ВТЭ

НСВ

Продувка

Воздух
Топливо

14

 
Рис. 2. Схема комплексной системы совершенствования экологической безопасности СЭУ 
 
Льяльные, загрязненные нефтепродуктами, а также другие 
нефтесодержащие воды (НСВ) собираются в сборной емкости 1, 
а пресные и слабоминерализованные сточные воды собираются в 
емкости 2. Из емкости 1 НСВ насосом 14 направляются в жидкостные нейтрализаторы 3 и 4, предназначенные для очистки дымовых газов котла 5 и двигателя внутреннего сгорания 6. Нейтрализатор 3 с нисходящим противоточным (относительно газа) 
движением пленки жидкости (типа НГЖ-6) имеет небольшое 
гидравлическое сопротивление и не оказывает влияния на рабочий режим котла 5. Нейтрализатор 4 (типа НГЖ-2, НГЖ-3 или 
НГЖ-4) с восходящим и частично с нисходящим прямоточным 
(по отношению к газу) движением пленки жидкости [1] имеет бо