Способ экологически безопасного извлечения энергетических и минеральных ресурсов Черного моря Российский патент 2018 года по МПК E21C50/00 C01B17/05 

Изобретение относится к экологии и энергетике, в частности, к извлечению из глубинных вод Черного моря сероводорода, серы и серосодержащих соединений цветных и редких металлов.

Черное море является самым большим в мире анаэробным резервуаром, 92% которого занимает вода с сероводородом. Ниже 150 м от поверхности вода безжизненна, т.к. там нет кислорода. В придонных слоях Черного моря концентрация сероводорода достигает 15-17 мг/л. В этих отложениях содержаться также серосодержащие соединения цветных и редких металлов, имеющих большую практическую ценность. Т.к. Черное море является возобновляемым источником сероводорода, то извлечение его из морской воды представляет несомненный экономический интерес. Сероводород перспективен для использования в качестве чистого топлива, однако методы выделения его из морской воды представляет собой сложную задачу, т.к. растворимость H₂S в морской воде зависит от глубины и составляет в расчете на один литр воды: 1,2 мг - на глубине 200 м, 2,34 мг - на глубине 300 м, 8,84 мг - на глубине 1000 м и 9,6 мг и более - у дна, на глубинах около 2000 м (Искендеров Т.В. Доклад. Добыча сероводорода из Черного моря. Pdf).

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 использование:

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. Использование электролизера для выделения водорода.

4. Возвращение очищенной воды в море.

К основным недостаткам прототипа следует отнести то, что:

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

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

Целью предлагаемого изобретения является способ экологически безопасного извлечения энергетических и минеральных ресурсов из Черного моря: из холодной придонной сероводородсодержащей воды извлекается сера и водород, а из придонной суспензии - сера, цветные и редкие металлы, а также водород. Очищенная при этом вода возвращается в море.

Цель достигается тем, что трубопровод размещают на дрейфующем судне и выполняют из нержавеющей стали или полимерных материалов многосекционным с разрыхлителем придонной суспензии, нижнюю вертикальную часть трубопровода закрепляют растяжками на корпусе судна, а верхнюю горизонтальную часть трубопровода оснащают отводами с клапанами, емкости с крышками размещают на судах-перевозчиках, содержащих приспособления для швартовки к дрейфующему судну, насосами дополнительно забирают забортную воду с поверхности моря, используют котел для нагрева забортной воды, обогрева емкостей и поддержания в них контролируемой температуры для осаждения слоя коагулированной серы или серы и цветных и редких металлов, осуществляют многократное поочередное перемещение в емкости порций нагретой забортной воды и холодной придонной сероводородсодержащей воды или воды с придонной суспензией, излишек воды в емкостях после каждого порционного заполнения извлекают насосом через вертикальную трубку, проходящую во внутрь емкости через крышку, извлеченную при этом воду направляют в котел для обогрева емкостей, нагрев воды в котле осуществляют при сжигании водорода, полученного в электролизере.

1. В предлагаемом изобретении извлечение холодной придонной сероводородсодержащей воды или воды с придонной суспензией осуществляют на дрейфующем судне. Это позволяет извлекать ресурсы на различных глубинах (Фиг. 1).

2. В отличии от прототипа, в предлагаемом изобретении извлечение ресурсов Черного моря осуществляют с помощью разрыхлителя, т.к. эффект эрлифта позволяет за счет разности гидростатического давления на уровне нижнего среза трубы и уровня поверхности моря обеспечивать подъем придонной разрыхленной суспензии.

3. В отличии от прототипа, в предлагаемом изобретении извлечение холодной придонной сероводородсодержащей воды или воды с придонной суспензией осуществляют с помощью многосекционной трубы из нержавеющей стали или полимерных материалов, что позволяет наращивать длину трубы для различных глубин. Надежное крепление вертикальной трубы с разрыхлителем суспензии обеспечивают растяжками, закрепленными на корпусе дрейфующего судна.

4. В предлагаемом изобретении, также как в прототипе, подъем придонной сероводородной воды обеспечивают насосом, который организуют движение воды в вертикальном трубопроводе вверх, а ее остановку закрытием клапана. Но кроме нижней вертикальной части многосекционного трубопровода на дрейфующем судне имеется верхняя горизонтальная часть трубопровода, которая оснащена отводами с клапанами для перемещения порций придонной холодной сероводородсодержащей воды или воды с придонной суспензией в емкости.

5. В прототипе газоводяной фонтан из сероводорода и суспензии заполняют в емкость, в которой растворенный сероводород отделяют от воды. В предлагаемом изобретении в емкости растворенный сероводород отделяют не только от воды, но и от серы, и серосодержащих соединений цветных и редких металлов. Природный процесс разложения сероводорода, растворенного в воде поступающим из атмосферы кислородом, 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 за счет реакции 2H₂S+O₂=2S+2H₂O.

В отличие от прототипа, процесс многократного заполнения емкостей порциями холодной придонной воды, поступающей в нагретую воду, способствует разложению сероводорода при увеличении температуры нагрева фиг.2 (таблица 1), уменьшению его растворимости и интенсификации процесса осаждения фиг.3 (таблица 2) коагулированной слоя серы, цветных и редкоземельных металлов. В связи с длительностью процесса при многократном поочередном заполнении емкостей придонной водой, возникает необходимость последовательного использования нескольких емкостей. Наличие нескольких емкостей на одном судно-перевозчике обусловлено возможностью нагрева их и удобной эксплуатацией емкостей при загрузках-разгрузках.

6. Излишек воды в емкостях после каждого порционного заполнения извлекают насосом с клапаном через вертикальную трубку, проходящую во внутрь емкости через крышку. Извлеченную при этом воду направляют в котел для обогрева емкостей. Контроль температуры осуществляется датчиком температуры, который находится в одном положении на верхнем уровне первоначально нагретой воды.

7. Наличие крышки на каждой емкости обеспечивает безопасную работу экипажа, т.к. сероводород - ядовитый бесцветный газ с характерным резким запахом тухлый яиц фиг.4 (таблица 3), а также обеспечивает безопасную утилизацию газообразной среды, которая поднимаясь вверх в крышке емкости, направляется к электролизеру, в котором разделяется на воду и водород. В крышке размещают отводы с клапанами для заполнения емкостей нагретой водой, холодной сероводородсодержащей водой или водой с придонной суспензией, для извлечения излишек воды, а также для поступления газообразной среды в электролизер. Наличие системы насосов с клапанами позволяет автоматизировать процессы и, тем самым, обеспечить безопасную работу экипажа.

8. Дрейфующее судно содержит электролизер для получения водорода, котел для нагрева забортной воды, обогрева емкостей и поддержания в них контролируемой температуры. Суда-перевозчики содержат приспособления для швартовки к дрейфующему судну, емкости с крышками, в которых осуществляют процесс осаждения коагулированной серы, цветных и редких металлов до контролируемого уровня. Суда-перевозчики обеспечивают доставку емкостей для разгрузки на побережье и загрузки емкостей при многократном заполнении емкостей порциями нагретой забортной воды, холодной придонной воды в процессе швартовки к дрейфующему судну.

Суть изобретения состоит в том, что способ экологически безопасного извлечения энергетических и минеральных ресурсов Черного моря осуществляют на дрейфующем судне и судах-перевозчиках, что позволяет извлекать ресурсы на различных глубинах. На дрейфующем судне размещают многосекционный вертикальный трубопровод, что позволяет наращивать длину трубы для различных глубин. Надежное крепление нижней части вертикального трубопровода обеспечивают растяжками, закрепленными на корпусе дрейфующего судна. Основание трубы выполняют с разрыхлителем придонной суспензии, с учетом их устойчивого положения. Трубу выполняют из нержавеющей стали или полимерных материалов.

Кроме нижней части вертикального трубопровода имеются верхняя горизонтальная часть трубопровода, которая оснащена отводами с клапанами, насос с клапаном для подъема с помощью эффекта эрлифта порций придонной холодной воды, электролизер для получения водорода, котел для нагрева забортной воды, обогрева емкостей и поддержания в них контролируемой температуры. На судах-перевозчиках, содержащих приспособления для швартовки к дрейфующему судну, емкости с крышками размещают под отводами с клапанами, насосом дополнительно забирают забортную воду с поверхности моря, используют котел для ее нагрева и поочередно заполняют емкости нагретой забортной водой. После достижения заданной температуры забортной воды, в емкости, с помощью насоса, осуществляют подъем порций холодной сероводородсодержащей воды или воды с придонной суспензией и нагрев до контролируемой температуры. Многократное смешивание в емкостях холодной придонной воды или воды с придонной суспензией с нагретой забортной водой приводит к уменьшению растворимости сероводорода и интенсифицирует процесс осаждения слоя коагулированной серы, цветных и редкоземельных металлов. Излишек воды в емкостях, после каждого порционного заполнения, извлекают насосом через вертикальную трубку, проходящую во внутрь емкости через крышку. Извлеченную при этом воду направляют в котел для обогрева емкостей. Наличие крышки на каждой емкости обеспечивает безопасную работу экипажа, а также безопасную утилизацию газообразной среды, которая поднимаясь вверх в крышке емкости, направляется к электролизеру, в котором разделяется на воду и водород. Наличие системы насосов с клапанами позволяет автоматизировать процессы и, тем самым, обеспечить безопасную работу экипажа. Суда-перевозчики доставляют емкости для разгрузки на побережье и служат для загрузки емкостей слоем коагулированной серы или серы и цветных и редких металлов до контролируемого уровня при их многократном заполнении порциями холодной придонной воды, поступающей в нагретую забортную воду в процессе швартовки судов к дрейфующему судну.

Пример 1.

Процесс экологически безопасного извлечения энергетических и минеральных ресурсов Черного моря осуществляют на дрейфующем судне и на судах-перевозчиках. На дрейфующем судне вертикальный многосекционный трубопровод с разрыхлителем придонной суспензии опускают на заданную глубину Черного моря. Суда-перевозчики швартуют к дрейфующему судну. На судах-перевозчиках каждую емкость с крышкой размещают под отводами с клапанами верхней горизонтальной части трубопровода для поочередного заполнения емкостей нагретой забортной водой, поступающей от котла, нагрев воды в котором осуществляют при сжигании водорода, полученного в

электролизере. Горячей водой нагревают емкости и через отводы с клапанами нагретой забортной водой поочередно заполняют емкости до заданного уровня. После достижения в емкостях заданной температуры 60÷80°С, в емкости вводят порции холодной сероводородсодержащей воды или воды с придонной суспензией, имеющей температуру ~7÷10°С, и осуществляют нагрев до контролируемой температуры. Многократное поочередное перемещение в емкости порций нагретой забортной воды и холодной придонной сероводородсодержащей воды или воды с придонной суспензией и их нагрев до контролируемой температуры, приводит к осаждению слоя коагулированной серы или серы и цветных и редких металлов до контролируемого уровня, а также к увеличению объема воды в емкостях. Излишек воды в емкостях, после каждого порционного заполнения, извлекают насосом через вертикальную трубку, проходящую во внутрь емкости через крышку, извлеченную при этом воду направляют в котел для обогрева емкостей. Суда-перевозчики обеспечивают доставку емкостей для разгрузки на побережье и загрузки емкостей слоем коагулированной серы или серы и цветных и редких металлов до контролируемого уровня при многократном заполнении емкостей порциями холодной придонной воды, поступающей в нагретую забортную воду в процессе швартовки судов к дрейфующему судну.

Пример 2.

Процесс экологически безопасного извлечения энергетических и минеральных ресурсов Черного моря вызывает большой интерес. Нерастворенные компоненты на морском дне в основном будут представлены в виде халькогенидов цветных и редких металлов, которые будут находится в разрыхленной суспензии серосодержащих соединений, и которые будут осаждаться в емкостях по технологии для придонной сероводородсодержащей воды. Суда-перевозчики обеспечивают доставку серы, драгоценных металлов, редкоземельных элементов на побережье. После удаления серы одним из путей интенсификации получения металлов из раствора с низкой концентрацией является электролиз. Электрохимическим способом могут быть извлечены золота, платины, палладия, серебра, меди, индия и др. цветные и редкие металлы. Этот способ позволяет добиться высокой селективности извлечения металлов, скорость осаждения регулируется с помощью концентрации электролита и плотности тока. Степень извлечения золота, серебра, меди и др. составляет 96-99% при остаточной концентрации 0,02-0,04 мг/л. Таким образом, с помощью электрохимического способа извлечения цветных и редких металлов, находящихся в виде растворимых соединений и в виде нерастворимых соединений обеспечивается экологическая безопасность утилизации.

Изобретение относится к экологии и энергетике, в частности к извлечению из глубинных вод Черного моря сероводорода, серы, водорода, цветных и редких металлов. Технический результат заключается в осуществлении безопасного извлечения энергетических и минеральных ресурсов. Способ основан на смешивании в емкостях нагретой забортной морской воды с порциями холодной придонной воды или воды с придонной суспензией, что приводит к уменьшению растворимости сероводорода и интенсифицирует процесс осаждения слоя коагулированной серы, цветных и редкоземельных металлов. Для реализации этого способа на дрейфующем судне устанавливают насос с клапаном, электролизер, котел, приспособления для швартовки суден-перевозчиков. Насос поднимает с помощью эффекта эрлифта порции холодной придонной сероводородсодержащей воды или воды с придонной суспензией по вертикальному многосекционному трубопроводу с разрыхлителем придонной суспензии. Горизонтальную часть трубопровода оснащают отводами с клапанами. Котел используют для нагрева забортной воды с поверхности моря, обогрева емкостей и поддержания в них контролируемой температуры. На судах-перевозчиках размещают емкости с крышками. Емкости многократно заполняют нагретой забортной водой, а затем порциями холодной придонной сероводородсодержащей воды или воды с придонной суспензией. Излишек воды в емкостях после каждого порционного заполнения извлекают насосом через вертикальную трубку, проходящую вовнутрь емкости через крышку. Извлеченную при этом воду направляют в котел. Нагрев воды в котле осуществляют при сжигании водорода, полученного в электролизере. 1 ил., 3 табл., 2 пр.

Способ экологически безопасного извлечения энергетических и минеральных ресурсов Черного моря, включающий подъем с помощью насоса холодной придонной сероводородной воды или воды с придонной суспензией по вертикальному трубопроводу и ее остановку закрытием клапана, наличие емкостей, которые заполняются газоводяным фонтаном из сероводорода за счет разности гидростатического давления на уровне нижнего среза трубы и уровня поверхности моря, выделение сероводорода и разложение его на элементы, получение в электролизере водорода и использование его в качестве топлива, возвращение очищенной воды в море, отличающийся тем, что трубопровод размещают на дрейфующем судне и выполняют из нержавеющей стали или полимерных материалов многосекционным с разрыхлителем придонной суспензии, нижнюю вертикальную часть трубопровода закрепляют растяжками на корпусе судна, а верхнюю горизонтальную часть трубопровода оснащают отводами с клапанами, емкости с крышками размещают на судах-перевозчиках, содержащих приспособления для швартовки к дрейфующему судну, насосами дополнительно забирают забортную воду с поверхности моря, используют котел для нагрева забортной воды, обогрева емкостей и поддержания в них контролируемой температуры для осаждения слоя коагулированной серы или серы и цветных и редких металлов, осуществляют многократное поочередное перемещение в емкости порций нагретой забортной воды и холодной придонной сероводородсодержащей воды или воды с придонной суспензией, излишек воды в емкостях после каждого порционного заполнения извлекают насосом через вертикальную трубку, проходящую вовнутрь емкости через крышку, извлеченную при этом воду направляют в котел для обогрева емкостей, нагрев воды в котле осуществляют при сжигании водорода, полученного в электролизере.