CC BY
7УДК 665.6
E.V. Cherkasov, Y.A. Pimenov, N.L. Efimova, A.S. Mazur
ANALITIC RESEARCH OF SAMPLES OF WATER-FUEL EMUSLION OBTAINED BY VIBROCAVITATIONAL TECHNOLOGY
St. Petersburg State Institute of Technology (Technical University), Moskovsky Pr., 26, St Petersburg, 190013, Russia
e-mail: eu.cherkasov@gmail.com
In the article results of research of physic-chemical parameters of hydrocarbon part of oil sludges from Kirishskiy oil processing plant are presented. The technology of obtaining water-fuel emulsions based on oil sludges was created. Obtained emulsions were tested on stability at different temperature. The method of rapid test water-fuel emulsions testing on stability was worked out. Possibility of using oil sludges as an ecological water-emulsion fuel was shown.
Key words: oil sludge, water-fuel emulsion, centrifuging, vibrocavitational technology, flash point.
Е.В. Черкасов1, Ю.А. Пименов2, Н.Л. Ефимова3, А.С. Мазур4
АНАЛИТИЧЕСКИЕ
ИССЛЕДОВАНИЯ
ОБРАЗЦОВ
ВОДОЭМУЛЬСИОННЫХ ТОПЛИВ,
ПРИГОТОВЛЕННЫХ ПО
ВИБРОКАВИТАЦИОННОЙ
ТЕХНОЛОГИИ
Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет), Московский пр., 26, Санкт-Петербург, 190013, Россия e-mail: eu.cherkasov@gmail.com
В статье представлены результаты исследований физико-химических параметров углеводородной части не-фтешламов Киришского НПЗ. Разработана технология приготовления водотопливных эмульсий на их основе. Проведены испытания полученных композиций на стабильность при различных температурах. Разработана методика ускоренных испытаний водотопливных эмульсий на стабильность при хранении. Показана возможность использования нефтешламов в качестве экологичного водоэмульсионного топлива.
Ключевые слова: нефтешлам, водотопливная эмульсия, центрифугирование, виброкавитационная технология, температура вспышки.
Введение
Успешное развитие ряда областей современной техники, в т. ч. и военной в значительной степени связано с энергетикой. В настоящее время энергию в основном получают путем сжигания органического топлива и поэтому не случайно, что такие задачи, как рациональное использование топливных ресурсов, поиск новых источников энергии и методов ее преобразования находятся в центре внимания исследователей.
В процессе решения этих задач особое внимание должно уделяться экологическим аспектам, так как процессы горения связаны с образованием целого ряда токсичных соединений (таких как окислы азота, двуокись углерода, окислы серы и т.п.), которые, попадая в окружающую среду, наносят ей непоправимый ущерб.
Одним из методов предотвращения образования токсичных выбросов при сжигании нефтяных топ-лив, привлекающих внимание энергетиков, является ввод влаги в зону горения [1]. Достоинство этого метода заключается в том, что при достаточно высокой эффективности он практически не требует значительных капитальных затрат, дополнительных эксплуатационных
расходов и площадей. Метод может быть реализован силами самого предприятия и не требует для обслуживания специально подготовленного персонала. При этом в ряде случаев возможна частичная или полная утилизация воды, загрязненной нефтепродуктами или органическими отходами, что позволяет уменьшить загрязнение водного бассейна и почвы.
Главной причиной, вызывающей трудности сжигания влажных жидких топлив, является не присутствие воды, а ее неравномерное распределение в массе топлива, как по высоте емкости, так и в пределах определенного слоя. Поэтому для устойчивой работы энергетических установок при сжигании таких топлив, необходимо воду распределить по всей системе равномерно, т.е. получить водотопливную эмульсию (ВТЭ). Для этого было предложено использовать виброкавитационную технологию.
Актуальность данного направления заключается в том, что при использовании ВТЭ, приготовленных по виброкавитационной технологии, вместо жидких топлив таких, как дизельное топливо, мазут или другие виды топлива, обеспечивается снижение дымности и содержания
1 Черкасов Евгений Валерьевич, аспирант каф. химической энергетики, eu.cherkasov@gmail.com Cherkasov Evgeniy V., Post-graduate student, Department of Chemical Energy, e-mail: eu.cherkasov@gmail.com
2 Пименов Юрий Александрович, канд. техн. наук, ст. науч. сотр. каф. химической энергетики, ypimenov@rambler.ru Pimenov Yri A., Ph.D. (Eng.), Senior research worker, Department of Chemical Energy, e-mail: ypimenov@rambler.ru
3 Ефимова Наталья Леонидовна, канд. техн. наук, инженер каф. химической энергетики, e-mail: ypimenov@rambler.ru Efimova Natalya L., Senior research worker, engineer, Department of Chemical Energy, e-mail: ypimenov@rambler.ru
4 Мазур Андрей Семенович, д-р техн. наук, профессор, зав. каф. химической энергетики, e-mail: mazuras@mail.ru Mazur Andrey S., Dr Sci., Professor, Heat of Department of Chemical Energy, e-mail: mazuras@mail.ru
Дата поступления 25 марта 2015 года Received March 25, 2015
целого ряда токсичных компонентов в отработавших газах [2]. Это дает возможность потребителям обойтись без использования специальных, дорогостоящих, малотоксичных марок топлива или избежать потерь, связанных с выплатой штрафов за нарушение экологических норм, потенциальной остановкой производства и т.п.
Самым значительным по массе отходом в нефтяной промышленности являются нефтешламы (НШ), представляющие собой сложные физико-химические смеси углеводородов, воды и механических включений.
Вода, входящая в состав НШ практически не отстаивается из-за небольшой разницы плотностей по сравнению с углеводородной частью [3], выпаривание же требует значительных энергозатрат вследствие низкого коэффициента теплопроводности тяжелых нефтяных фракций [4].
Таким образом, создание ВТЭ на основе НШ по виброкавитационной технологии является выходом из тяжелой экологической ситуации, позволяющей переработать НШ, получая топливо с удовлетворительными экологическими характеристиками.
Более того, применение предлагаемой технологии позволяет использовать для приготовления ВТЭ загрязненные нефтепродутами воды и таким образом, по крайней мере, частично решить проблему их утилизации.
Экспериментальная часть
Образцы ВТЭ приготавливают по методике, описанной в [5].
Так как полученные по виброкавитационной технологии ВТЭ обладают высокой стабильностью и под воздействием сил тяжести сохраняют свою устойчивость длительное время, то проведение сравнительной оценки стабильности ВТЭ требует длительных сроков хранения. На первом этапе исследований была определена устойчивость приготовленных эмульсий после хранения в течение одного месяца. Для исследований использовались два вида НШ из шламонакопителя и пруда №3 Киришс-кого нефтеперерабатывающего завода. После отделения механических примесей из этих НШ по виброкавитационной технологии были приготовлены образцы ВТЭ с содержанием воды 20 и 40 % Хранение образцов эмульсии с различным содержанием воды проводилось в закрытых емкостях при комнатной температуре и при температуре 60 °С. Результаты испытаний образцов эмульсии на основе углеводородной части различных нефтешламов приведены в таблице 1.
Таблица 1. Сравнительные характеристики ВТЭ на основе НШ
№ о s к О S CiX Состав, % мас. Исходный НШ, % Н2О О После хранения Макс. размер капель, мкм
g * о 8 D X М УВ Н2О ПАВ 1 Р После приготовления Через месяц
1 60 40 40 60 < 5 Верх < 5, низ < 10
2 $ 60 40 40 20 < 5 < 5
3 = [= Э О 80 20 40 60 < 5 < 5
4 р i S 80 20 40 20 < 5 < 5
5 СО ^ Э 77 20 3 40 60 < 5 Сверху капель нет. На дне слой < 10
6 ^ OI Э z 80 20 20 20 < 5 < 5
7 80 20 20 60 < 5 < 5
8 1 £ i & 60 40 20 20 < 5 < 5
9 60 40 20 60 < 5 < 5
Результаты анализа структуры топливных композиций после месячного хранения путем контроля с помощью оптического микроскопа МБИ-3 равномерности распределения капель по объему композиции и размера капель воды показали, что структура композиции за время хранения практически не изменилась. Визуальный осмотр образцов показал, что видимых включений воды не обнаружено.
Следует отметить, что образцы испытанных топливных композиций сохранили стабильность после хранения как при повышенной, так и при пониженной температуре.
Была разработана ускоренная методика оценки стабильности эмульсий на основе НШ. Для этой цели было предложено применить метод центрифугирования. Для выполнения работы была использована высокоскоростная лабораторная центрифуга модели 310 (Mechani-ka precizyina, Poland) с пультом управления типа 317а.
Время обработки каждого образца топливной эмульсии на центрифуге было постоянным и составляло 2 мин., а величина перегрузки менялась в интервале от 3 до 10 g.
Эмульсия считалась устойчивой (У), если после центрифугирования не наблюдалось выделения какой-либо из фаз. Результаты испытаний ВТЭ на основе НШ, полученных с Киришского НПЗ приведены в таблице 2.
Таблица 2. Устойчивость ВТЭ к перегрузкам
Устойчивость
Нефтешлам Вода, % Перегрузки
3g 4g 5g 6g 7g 8g 9g 10g
10 У У У У У У У1 -
Кириши, шламонакопи- 20 У У У У У У У1 -
30 У У У У У У1 - -
тель 40 У У У У У1 - - -
60 У У1
10 У У У У У У У1 -
20 У У У У У У1 - -
Кириши, Пруд №3 30 У У У У У1 - - -
40 У У У У1 - - - -
60 У У1
Как видно из вышеприведенных данных с увеличением содержания воды, при одинаковом значении перегрузки, устойчивость эмульсии понижается, однако выделения воды в виде сплошной фазы не происходит, а наблюдается лишь незначительное расслоение исходной эмульсии на две эмульсии с различным содержанием воды, отличающиеся по цвету (У1). Этот факт подтверждает, что приготовленные по виброкавитационной технологии ВТЭ обладают агрегативной устойчивостью.
С целью выяснения влияния температуры на устойчивость ВТЭ, содержащих 5 %, 10 %, 20 % и 30 % воды, они нагревались до температуры 80 °С, и выдерживались при этой температуре в термостате не менее 3 суток. Проведенные испытания показали, что ВТЭ даже при повышенных температурах сохраняют свою устойчивость, что позволяет использовать их в реальных энергетических установках. Кроме того, ВТЭ выдерживают кратковременный нагрев до температуры 95 °С (не менее 2 часов) без вспенивания.
Таким образом, в результате исследований было показано, что использование виброкавитационной технологии позволяет получать стабильные ВТЭ на основе НШ. С использованием полученных данных были разработаны ТУ 0252-442-02068479-2012 ТОПЛИВО ГИДРАТИРО-ВАННОЕ ЭКОЛОГИЧЕСКОЕ ВТ-20.
Испытания по определению температуры вспышки и воспламенения проводились в соответствии с [6]
Учитывая свойства исследуемых композиций на основе НШ, которые содержат большие количества воды, испытания предлагается проводить в два этапа.
На первом этапе исследуемая композиция нагревается до температуры 100 °С, с целью определения возможного наличия легколетучих компонентов с температурой вспышки до 100 °С. При наличии таких компонентов исходные образцы необходимо подвергать фракционированию с целью удаления легковоспламеняющихся компонентов.
На втором этапе исследований НШ подвергают выпариванию с целью удаления воды, так как в соответствии с требованиями [б] в исследуемом веществе не допускается наличия воды.
Также, у углеводородной части НШ была определена условная вязкость в соответствии с [7].
Результаты испытаний нефтешламов приведены в таблице 3.
Таблица 3 Температуры вспышки, воспламенения и вязкость условная НШ.
Нефтешлам Температура вспышки в открытом тигле, °С Температура воспламенения в открытом тигле, °С Вязкость, °ВУ, при 80 °С
Кириши 158 191 16
шламонако-
питель
Кириши пруд №3 185 218 21
Все испытанные НШ имеют температуру вспышки в открытом тигле не менее 100 °С, что соответствует требованиям ТУ 0252-442-02068479-2012 ТОПЛИВО ГИД-РАТИРОВАННОЕ ЭКОЛОГИЧЕСКОЕ ВТ-20.
Выводы
1 Проведены физико-химические исследования образцов водосодержащих топлив на основе углеводородной части нефтешламов.
2. Проведенные исследования показали, что после хранения в течение месяца при комнатной и повышенной (60 °С) температурах сохраняется стабильность водо-
топливных эмульсий на основе нефтешламов.
3. Разработана методика ускоренной оценки стабильности эмульсий на основе метода центрифугирования.
4. Используемые углеводородные фракции не-фтешламов имеют температуру вспышки в открытом тигле не менее 100 °С, что соответствует требованиям ТУ 0252-442-02068479-2012 ТОПЛИВО ГИДРАТИРОВАННОЕ ЭКОЛОГИЧЕСКОЕ ВТ-20.
5. Виброкавитационную технологию и разработанные методики целесообразно использовать для получения гидратированного экологического топлива на основе тяжелых углеводородных топлив и нефтешламов.
Литература
1. Патров Ф.В., Вахромеев О.С. Снижение концентрации оксидов азота в отработавших газах судовых дизелей при использовании водотопливных эмульсий // Вестник АГТУ. Сер: Морская техника и технология. 2010. № 1. С. 141-145.
2. Пименов Ю.А., Ефимова Н.Л., Савонин С.В., Феоктистов К.Г. Технология приготовления экологически чистых топлив // Роль А.Е. Переверзева в становлении и развитии снаряжательного производства. 2001. С. 110-113.
3. Курочкин А.К., Тамм Т. Нефтешламы - ресурсное сырье для производства светлых моторных топлив и дорожных битумов // Переработка нефти и газа. 2010. № 4. С. 72-75
4. Иванов В.М., Канторович Б.В. Топливные эмульсии и суспензии. М.: Металлургиздат, 1963. 288 с.
5. Черкасов Е.В. Пименов Ю.А., Мазур А.С., Ефимова Н.Л., Улыбин В.Б., Украинцева Т.В. Получение устойчивых водотопливных эмульсий на основе нефтешламов с использованием виброкавитационной технологии // Известия СПбГТИ(ТУ). 2013. № 18(44). С. 68-70.
6. ГОСТ 4333-87. Нефтепродукты. Методы определения температуры вспышки и воспламенения в открытом тигле. Введ. С 01.07.1988. М.: Изд-во стандартов. 2008. 6 с. (Межгосударственный стандарт).
7. ГОСТ 6258-85. Нефтепродукты. Метод определения условной вязкости. Введ. С 01.01.1986. М.: Изд-во стандартов. 2006. 5 с. (Межгосударственный стандарт).
