CC BY
7
_ВЕСТНИК ПНИПУ_
2023 Химическая технология и биотехнология № 1
DOI: 10.15593/2224-9400/2023.1.07 Научная статья
УДК 662.641+628.16.081.3
Е.С. Дремичева
Лаишевский технико-экономический техникум, Лаишево, Россия
Э.Р. Зверева, А.А. Эминов
Казанский государственный энергетический университет, Казань, Россия
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ НИЗКОКАЧЕСТВЕННОГО МЕСТНОГО ТОПЛИВА В КАЧЕСТВЕ СОРБЕНТА НЕФТИ И НЕФТЕПРОДУКТОВ
Рассмотрена проблема ликвидации аварийных разливов нефти и нефтепродуктов с дальнейшей утилизацией отработанного сорбционного материала на объектах энергетики. В качестве сорбционного материала выбран торф, который является по своему назначению топливом, однако в настоящее время его часто используют в природоохранных целях. Проведен ряд экспериментов по оценке нефтеемкости торфа в зависимости от времени контакта с нефтепродуктами. Для сравнения были взяты нефтепродукты различной вязкости - отработанное моторное масло и дизельное топливо. Было оценено также изменение основных теплотехнических свойств торфа с различным содержанием нефтепродуктов, а также в насыщенном состоянии. Рассмотрены также вопросы использования насыщенного торфа в качестве топлива при совместном или индивидуальном сжигании на объектах энергетики.
Показано, что нефтеемкость существенно зависит от вязкости сорбированных нефтепродуктов, причем сорбированные нефтепродукты увеличивают как влажность, так и зольность торфа в сравнении с исходным образцом, а также теплоту сгорания торфа в 1,95 раза для отработанного моторного масла и в 2,15 раза для дизельного топлива, что говорит о целесообразности сжигания насыщенного торфа в котельных. Проанализировано изменение кинематической вязкости суспензии «нефтепродукт - торф».
Проведен расчет экономии от сжигания торфа для котельной установки производительностью 1,14 Гкал/ч.
Установлено, что использование торфа в качестве сорбента для ликвидации аварийных разливов нефтепродуктов с дальнейшим его сжиганием как на объектах малой энергетики, так и на мощных электростанциях вполне может быть реализовано.
Ключевые слова: нефтепродукты, аварийные разливы, адсорбционная очистка, торф, совместное сжигание, экономическое обоснование.
E.S. Dremicheva
Laishevo' Technical and Economic College, Laishevo, Russian Federation
E.R. Zvereva, A.A. Eminov
Kazan State Power Engineering University, Kazan, Russian Federation
USE OF LOW-QUALITY LOCAL FUEL AS A SORBENT FOR OIL AND PETROLEUM PRODUCTS
The subject of this article considers the problem of liquidation of emergency spills of oil and petroleum products with further utilization of the spent sorption material at power facilities. As a sorption material considered peat, which in its purpose is a fuel, but nowadays it is often used for environmental purposes. A number of experiments were conducted to estimate the oil capacity of peat depending on the time of contact with petroleum products. For comparison, oil products of different viscosity were taken - waste motor oil and diesel fuel. The change in the basic thermal and technical properties of peat with different content of petroleum products, as well as in the saturated state was also evaluated. The second part of the paper is devoted to the issues of using saturated peat as fuel in joint or individual combustion at power facilities.
It is shown that the oil capacity significantly depends on the viscosity of sorbed oil products, with sorbed oil products increasing both the moisture and ash content of peat compared to the original sample, as well as the combustion heat of peat 1.95 times for waste motor oil and 2.15 times for diesel fuel, which suggests the advisability of burning saturated peat in boiler houses. The change in the kinematic viscosity of the "oil product -peat" suspension is analyzed.
Also in the article calculation of savings from combustion ofpeat for a boiler plant with a capacity of 1.14 Gcal/hour is given.
Thus, the use ofpeat as a sorbent for liquidation of emergency spills of oil products with its further combustion both at small power facilities and at powerful power plants may well be implemented.
Keywords: petroleum products, emergency spills, adsorption treatment, peat, co-combustion, economic justification.
Введение. Предприятия топливно-энергетического комплекса всегда относились к наиболее масштабным, востребованным, бюджетообразующим отраслям промышленности. Данные предприятия оказывают мощное влияние на экономику как отдельных стран, так и мира в целом. Уровень добычи, переработки нефти не снижается, остается традиционно высоким, поэтому чрезвычайно актуален поиск оптимальных решений, технологий по увеличению эффективности и экологической безопасности работы предприятий ТЭК.
Сточные воды, загрязненные нефтепродуктами, приносят большой ущерб окружающей среде. Такие сточные воды образуют в большей мере предприятия нефтедобычи и нефтепереработки, а также предприятия химической, машиностроительной промышленности и др.
Кроме запланированных выбросов нефтепродуктов в открытые водоемы существует и опасность аварийных разливов нефти и нефтепродуктов, поэтому зачастую сложно прогнозировать количество их примесей в природных водах. Так, за 2020-2021 гг. в России зафиксировано 6 крупных аварий, связанных с разливами нефти и нефтепродуктов, в конце 2022 г. произошел крупный разлив мазута в акватории Таманского залива [1-4].
Нефтепродукты чаще всего присутствуют в сточных водах в эмульгированном состоянии, которые образуют на поверхности пленку нефти, нарушающую диффузию газов из атмосферы в воду и создающую тем самым дефицит кислорода. Маслянистые вещества прилипают к поверхности гидробионтов и нарушают газообмен. Водорастворимые соединения легко проникают в живые организмы и вызывают их необратимые изменения и мутации. Тяжелые донные отложения нефти нарушают кормовую базу водоемов и поглощают кислород из воды [5].
Решение проблемы очистки нефтесодержащих сточных вод может быть достигнуто реализацией нескольких методов: очистка поверхностных сточных вод промышленных предприятий с дальнейшим использованием очищенных вод в водооборотных циклах и применением уловленных нефтепродуктов в технологических процессах либо проведение доочистки воды до требуемых норм при сбросе в водоемы. Кроме этого, разработано множество технологических решений, которые позволят решить задачу создания замкнутых водооборотных циклов с глубокой очисткой на промышленных предприятиях до норм СанПиН, ВОЗ, ЕС, ИБЕРА. Для достижения наилучших результатов используют сочетание нескольких методов очистки воды [6, 7].
На многих предприятиях большую часть нефтепродуктов и масел, содержащихся в сточных водах и находящихся в эмульгированном состоянии, отделяют в нефтеловушках, далее сточные воды подвергают флотации, фильтрованию. Например, для обеспечения высокого качества очищенной воды, соответствующей требованиям выпуска ее в водоемы рыбохозяйственного назначения, используется метод адсорбции, характеризующийся высокой степенью очистки, эксплуатационной надежностью и относительной простотой аппаратурного оформления [8].
Открытие новых сорбционных материалов, установление механизмов сорбционных процессов показывают, что сорбционные методы очистки воды от различных загрязнителей остаются востребованными. В настоящее время ведется расширение номенклатуры сорбирующих материалов для аппаратов очистки нефтесодержащих сточных вод и сбора нефти и нефтепродуктов с поверхности водоемов при аварийных разливах. Основные требования к сорбенту нефти и нефтепродуктов -наличие высокой нефтепоглощающей способности, возможность регенерации либо утилизация совместно с собранной нефтью, низкая стоимость и др. [9-12].
Эффективность сорбентов определяется, в основном, их емкостью по отношению к нефти и нефтепродуктам, степенью гидрофобности, плавучестью после сорбции нефти, возможности десорбции нефти, регенерации или утилизации сорбента. В настоящее время целесообразно использовать в качестве сорбентов природные материалы и отходы производств промышленных предприятий, которые относительно дешевы и обладают достаточно высокими сорбционными свойствами по отношению к углеводородам. Например, известно, что торф обладает сорбци-онными свойствами по отношению к нефти и нефтепродуктам и может быть использован в качестве исходного продукта для получения сорбентов. Торф относят к природным, местным видам топлива. Однако в связи с широким использованием газообразного топлива назначение торфа в последние десятилетия изменилось с энергетического на природоохранное. Торф - многокомпонентное природное образование, основу органической части торфа составляют гуминовые кислоты - высокомолекулярные соединения, содержащие различные функциональные группы, способные извлекать ионы тяжелых металлов, органические загрязнения. Высокая поглощающая способность по отношению к нефти и нефтепродуктам, его дешевизна, доступность, возможность утилизации насыщенного нефтью и нефтепродуктами торфа путем сжигания с получением дополнительного количества тепла создают предпосылки использования его для очистки сточных вод нефтеперерабатывающих и нефтехимических производств. Кроме того, ранее были проведены исследования по оценке сорбционной емкости и удерживающей способности торфами по отношению к растворенным нефтепродуктам, а также получены положительные результаты, позволяющие детально изучить механизмы протекания данного процесса [7, 13].
В работе рассмотрены образцы торфа из месторождений Республики Татарстан. Такой торф относится низинному типу, т.е. месторож-
дения залегают в поймах рек, на месте бывших озер, в оврагах. Этим обусловлена его сравнительно высокая зольность [14-16].
В связи с разнообразием продуктов нефтехимии, широким диапазоном их физико-химических свойств (состав, плотность и др.) в качестве модельных систем, характеризующих типовую совокупность больших групп индивидуальных углеводородов, исследованы отработанное моторное масло и зимнее дизельное топливо.
Моторные масла (ГОСТ 21046-86) - масла с плотностью 0,9 г/см3, применяемые для смазывания поршневых и роторных двигателей внутреннего сгорания, продукт первичной переработки нефти. В процессе работы в автомобильном двигателе масло не теряет своих свойств, а загрязняется различными примесями. Отработанное моторное масло представляет повышенную опасность для окружающей среды и относится к категории опасных отходов.
Дизельное топливо (ГОСТ Р 55475-2013) - топливо, получающееся из керосиново-газойлевых фракций прямой перегонки нефти с плотностью 0,855 г/см3, является токсичным малоопасным (4-й класс опасности) веществом по степени воздействия на человеческий организм.
Экспериментальная часть. Определение нефтеемкости проводилось в соответствии со стандартной методикой «Activated carbon. Standard test method for determination of sorbent performance of adsorbents». Данный стандарт используется при сравнении адсорбентов по их адсорбционной способности к нефтепродуктам и по их эффективности. Отличие лабораторного испытания от натурного заключается в том, что в реальных условиях применения адсорбент не будет контактировать с таким слоем нефтепродукта, который позволит ему быстро и полностью насытиться, т.е. результат лабораторного эксперимента представляет собой максимально возможную адсорбционную способность и минимальное время насыщения. Выбор данной методики обусловлен тем, что полученные экспериментальные данные позволяют осуществлять выбор оптимального адсорбента в условиях, когда этап обработки адсорбента водой отсутствует, и результаты применимы только в случаях, когда толщина слоя нефтепродукта равна или превышает толщину слоя адсорбента.
В соответствии с данной стандартной методикой торф - адсорбент II типа (свободной формы), сыпучий материал в виде отдельных кусков, форма и размеры которых позволяют манипулировать материалом только с помощью черпака или аналогичного приспособления. Толщина слоя испытуемого нефтепродукта была не менее чем 2,5 см,
при толщине пробы торфа, равномерно распределенного в емкости для испытаний, не более 2,5 см.
Для получения насыщенных нефтепродуктами образцов навеску торфа массой 5 и 10 г помещали в колбу, содержащую нефтепродукты, и выдерживали в течение 60 мин с шагом 10 мин, затем извлекали из нее, давали стечь в течение 30 мин ±3 с для дизельного топлива и 2 мин ±3 с для моторного масла, далее производили взвешивание.
По результатам испытаний вычисляли нефтеемкость - массовую и объемную адсорбируемости нефтепродукта (рис. 1).
Время, мин а
Время, мин б
Рис. 1. Адсорбируемость нефтепродуктов (нефтеемкость): а - массовая; б - объемная: ♦ - масло, масса торфа 5 г; ■ - масло, масса торфа 10 г; ▲ - дизельное топливо, масса торфа 5 г; х - дизельное топливо, масса торфа 10 г
Массовая адсорбируемость нефтепродукта - отношение массы адсорбированного нефтепродукта к массе сухого адсорбента (рис. 1, а). Объемная адсорбируемость - отношение объема адсорбированного нефтепродукта к объему сухого адсорбента (рис. 1, б).
Нефтеемкость торфа наблюдается с первых минут контакта с моторным маслом и дизельным топливом и существенно зависит от их вязкости. Причем степень насыщения достигается к 20 мин контакта торфа и нефтепродукта, выдерживать далее нецелесообразно.
Таким образом, отработанный торф в качестве сорбционного материала может быть перспективным калорийным видом топлива, так как к торфу как энергетическому топливу прибавилось еще значительное количество калорийного нефтепродукта.
В соответствии с действующими ГОСТами были определены влажность Ж (ГОСТ Р 52911-2013), зольность А (ГОСТ Р 55661-2013) на рабочую массу полученных образцов. Полученные результаты представлены в табл. 1.
Таблица 1
Основные свойства торфа
Масса торфа, г
Исходный Насыщенный нефтепродуктами торф
образец Масло Диз. топливо
5 5 10 5 10
Влажность W, % 63 67 67 69 70
Зольность A, % 2,1 3,5 3,7 4,1 4,5
По полученным результатам видно, что сорбированные нефтепродукты увеличивают как влажность, так и зольность торфа в сравнении с исходным образцом. Поэтому при энергетическом использовании необходима дополнительная сушка насыщенного нефтепродуктами торфа.
В настоящее время в странах Европы применяют два основных принципа использования гранулированного биотоплива для генерации энергии. Тепловые электрические станции и котельные полностью переходят на гранулированное биотопиво как основное топливо (моносжигание) или гранулированное биотопиво используется как дополнительное топливо к основному (совместное сжигание - Co-Firing) [17].
Для оценки изменения зольности в зависимости от количества торфа, насыщенного нефтепродуктами, в общем балансе твердого топлива при совместном сжигании были проведены экспериментальные исследования. Результаты приведены на рис. 2.
О 20 40 60 80 100
Содержание компонента, %
Рис. 2. Изменение зольности на рабочую массу при совместном сжигании торфа с каменным углем: ♦ - исходный образец торфа; ■ - торф, насыщенный моторным маслом; ▲ - торф, насыщенный дизельным топливом
По значениям низшей теплоты сгорания можно провести моделирование значения теплоты сгорания торфа, насыщенного нефтепродуктами в различном процентном отношении, для дальнейшего расчета экономии топлива (табл. 2).
Таблица 2
Значения низшей теплоты сгорания торфа, насыщенного отработанным моторным маслом и дизельным топливом
Содержание нефтепродукта, % Низшая теплота сгорания, МДж/кг
Моторное масло Дизельное топливо
0 10,84 10,84
50 26,48 26,98
100 42,138 43,12
Насыщенный нефтепродуктами торф 32,01 34,11
Далее была проведена оценка количества полученной от сжигания насыщенного нефтепродуктами торфа энергии [18]:
£ = т • <,
где £ - энергия топлива, кВт; т - масса топлива, кг; < - удельная теплота сгорания, кВт/кг.
Эквивалентное количество природного газа, необходимого для получения такого же количества теплоты сгорания, определялось по формуле
0
р-ч=—,
V
где р - плотность топлива; V - объем топлива.
Расчет экономии от сжигания торфа вместо сжигания природного газа производился по формуле
С = Р V
пр. газ '
где С - стоимость природного газа, необходимого для получения энергии; Рпр.газ - цена за 1 м3 природного газа.
Таким образом, при использовании данной методики можно оценить экономию предприятия при переходе с газового топлива на торф.
Результаты и их обсуждение. Рассчитаем количество торфа для сжигания в котельной установке производительностью 10 000 Гкал/год (1,14 Гкал/ч).
Расход реального топлива определяется по формуле
Вчас = £/0нрПбр,
где 0к - теплопроизводительность котла, Гкал/ч; 0 - теплотворная способность топлива, ккал/кг; Пбр - коэффициент полезного действия котла, %.
Расчет экономии от сжигания торфа представлен в табл. 3.
Таблица 3
Расчет экономии от сжигания торфа
Тип торфа Удельная теплота сгорания Ч, кВт/кг Масса топлива т, кг Количество полученной энергии 0, кВт Эквивалентное количество природного газа V, м3 Экономия от сжигания торфа вместо природного газа, тыс. руб.
Торф с влажностью 65 % 3,01 4 826 254,8 14 527 024 2 135 071 12 429
Торф, насыщенный мотор- 8,89 1 633 858,8 14 525 004 2 134 774 12 778
ным маслом
Торф, насы-
щенныи дизельным 9,475 1 533 366 14 528 642 2 135 309 12 792,7
топливом
Средняя цена торфа за 1 т составляет 110 руб. Тарифы на природный (магистральный) газ в Казани и Республике Татарстан с 1 января 2022 г. 6,07 руб./м3 [16].
Для котельной установки производительностью 1,14 Гкал/ч экономия от сжигания торфа влажностью 40 % вместо природного газа составит от 10621,5 тыс. руб. в год.
При сжигании торфа взамен угля экономия составит 3980 тыс. руб. в год при стоимости каменного угля 2300 руб./т.
Классическая схема сжигания торфа в энергетических котлах предусматривает поставку торфа в виде сухих топливных гранул, что требует высокотехнологичного и дорогостоящего оборудования по сушке торфа и производству гранул. Однако в европейских странах широкое распространение получили методы совместного сжигания биомассы с традиционным топливом.
Существует несколько различных способов совместного сжигания биомассы. Их можно разделить на прямое и непрямое совместное сжигание и параллельное сжигание. При прямом совместном сжигании происходят одновременно процессы подготовки, измельчения и подачи угля и биомассы в котельный агрегат. При непрямом совместном сжигании происходит отдельная подготовка и измельчение биомассы. Параллельное сжигание - это сжигание биомассы в отдельном котле. Также может использоваться метод газификации, т.е. первоначальная газификация биомассы и подача в котел генераторного газа. Метод газификации наиболее применим для влажного сырья, например, для древесной щепы.
Совместное сжигание реализуется на таких станциях, как Avedore Power Station (Копенгаген, Дания), Drax Power Station (Дракс, Северный Йоркшир, Великобритания), Amercentrale Power Station (Гертрейденберг, Нидерланды). На станции Drax Power Station применяется подача биомассы без дополнительного измельчения, минуя угольные дробилки, т. е. непосредственно в котел. Станция Amercentrale в настоящее время использует больше биомассы, чем любая другая электростанция в Европе. На ней сжигают одновременно 35 % биомассы и 65 % угля и решается вопрос об увеличении биомассы при совместном сжигании с углем до 50 %, а в перспективе даже до 95 %, оставив 5 % угля для растопки.
При совместном сжигании за счет замены части угля на биомассу снижается выброс углекислого газа, серы и оксидов азота. Следует отметить, что можно легко перейти с совместного сжигания угля и биомассы на сжигание только угля, поэтому совместное сжигание может быть экономически и экологически целесообразным [19].
Выполненные исследования позволяют перейти к разработке комплексной технологии использования местных ресурсов, включающей процессы производства топлива и получения тепловой энергии.
Проведенный анализ показал, что для существующих электрических станций Европы и США, совместно сжигающих уголь и биомассу, могут быть реализованы следующие методы [13].
Наиболее простым и дешевым методом совместного сжигания является смешивание угля и биомассы на топливном складе с подачей смеси топлив в систему пылеприготовления. Данный метод осуществим в пылеугольных топках. При этом особое внимание должно уделяться размеру частиц биомассы, подаваемой в топку. При реализации этой технологии основные проблемы возникают в системе пылеприго-товления. Добавление биомассы к углю увеличивает расход электроэнергии на размол. Уменьшается температура сушильного агента на выходе из мельницы. Однако такой метод ограничивается количеством биомассы, которое не должно превышать 5 % по массе топлива, иначе снижается производительность мельницы и, как следствие, производительность котла. Смешивание угля и биомассы на топливном складе более приемлемо для циклонных котлов, где применяется не размол угля, а только его измельчение до частиц размером менее 6 мм. В циклонных топках количество биомассы в топливной смеси может быть увеличено до 20 % по массе.
В котлах со слоевыми топками также возможно сжигание смеси угля и биомассы, при этом доля биомассы может варьироваться от 0 до 100 %.
Совместное сжигание с раздельным вводом угля и биомассы предусматривает раздельные системы подготовки и подачи биомассы и угольной пыли в топку. Однако в данной технологии появляются дополнительные капитальные вложения в систему подготовки и подачи биомассы.
Топки с циркулирующим кипящим слоем имеют более благоприятные характеристики для совместного сжигания угля и биомассы. Такие топки отличаются топливной гибкостью, их можно приспосабливать для сжигания угля, топлива из бытовых отходов, биомассы или их смесей в широком диапазоне соотношений.
Газификация биомассы с последующим сжиганием генераторного газа является наиболее капиталоемкой технологией совместного сжигания, но обеспечивает совместимость с энергетическими установками, работающими на различных видах традиционного топлива (уголь, мазут, природный газ). По такой технологии биомасса поступает в газификатор с целью производства генераторного газа, который может сжигаться в паровом котле или котле-утилизаторе установок комбинированного цикла.
Промышленное использование загрязненного нефтепродуктами торфа на стационарных электростанциях возможно только при наличии большого загрязненного участка, способного обеспечивать работу крупной электростанции в течение многих лет, чего на практике быть не может. Зачастую загрязненные участки расположены произвольно и имеют различную мощность по собственным нефтепродуктам. В данном случае предлагается, что нефтенасыщенный торф будет сжигаться на мини-электростанции или котельной в качестве небольшой добавки к основному топливу, чтобы не нарушать режимы работы котлов. Одним из вариантов перемещения загрязненного торфа к котельным установкам была рассмотрена перекачка к котельным установкам по трубопроводам нефтепродуктов совместно с торфом. Для этого было оценено качество жидкого нефтепродукта - показатель условной (относительной) вязкости [20].
Проведены экспериментальные исследования по оценке зависимости вязкости суспензии, содержащей нефтепродукт и различное количество торфа. Измерение вязкости осуществлялось в вискозиметре конструкции Энглера ВУ-М-ПХП с дальнейшим пересчетом условной вязкости в кинематическую вязкость (рис. 3). Содержание торфа на 100 мл нефтепродукта изменялось от 0 до 5 г с шагом 1 г (с дальнейшим пересчетом в процентах по массе).
В результате обработки экспериментальных исследований получены уравнения регрессии и значения коэффициента аппроксимации: для суспензии «моторное масло - торф»: Y(х) = 20,74х + 240,86; R2 = 0,9562; для суспензии «дизельное топливо - торф»: Y(х) = 1,23х + 6,7148; R2 = 0,9015, где Y(х) - кинематическая вязкость, мм2/с; х - содержание торфа в нефтепродукте, %.
Получено, что значения вязкости увеличивались при увеличении доли торфа в нефтепродукте. Причем при добавлении торфа в суспензию «моторное масло - торф» в количестве 5 % значения кинематической вязкости увеличились на 51 %, а при добавлении в суспензию «дизельное топливо - торф» - на 114 %. Это объясняется расслоением суспензии «нефтепродукт - торф», для более вязкого нефтепродукта расслоение протекает медленнее. Кроме того, зависимость увеличения кинематической вязкости от содержания в нефтепродукте торфа носит линейный характер, критерием соответствия служит коэффициент аппроксимации: чем больше значение R2^■1, тем лучше данное уравнение описывает зависимость.
12 3 4 5
Содержание торфа в суспензии, % а
0 1 2 3 4 5 6
Содержание торфа в суспензии, % б
Рис. 3. Изменения кинематической вязкости суспензии «моторное масло - торф» (а) и «дизельное топливо - торф» (б)
По полученным экспериментальным данным можно рассчитать мощность насоса на перекачивание данной суспензии для подачи ее в котел. Мощность насоса зависит от гидравлического сопротивления линий всасывания и нагнетания, которое в свою очередь зависит от вязкости перекачиваемой среды. Таким образом, можно рассчитать, на сколько процентов повысится мощность, потребляемая насосом для перекачки нефтепродукта.
Гидравлическое трение (перепад статического давления) АР можно рассчитать по уравнению Дарси - Вейсбаха:
АР = Х
I ри
ср
^ 2
где I - длина каналов, по которым движется поток; иср - средняя скорость потока в каналах; йэ - эквивалентный диаметр каналов; X - коэффициент гидродинамического трения.
2
Рассматривались два возможных варианта режима течения суспензии по трубопроводу: ламинарный и турбулентный.
Коэффициент гидравлического трения в первом случае можно определить, используя формулу Пуазейля
^=-64,
Яе
а при турбулентном режиме, используя формулу Блазиуса
0,3164
Х = -
0,25
Яе
где число Рейнольдса Яе = U ср dэ| V; V - кинематическая вязкость.
Для ламинарного режима принимается, что труба круглая, а эквивалентный диаметр равен внутреннему диаметру трубы. Турбулентный режим взят для области 4103<Яе<105.
По расчету отношения потери давления, рассчитанной при перекачивании нефтепродукта, к потере давления, рассчитанной для случая перекачивания суспензии с торфом, можно получить зависимости оценки изменения энергетических затрат для ламинарного и турбулентного режимов, соответственно:
4Р2. = ^ •
' V ^
V V1 У
0,25
Известно, что потребляемая насосом мощность линейно меняется при изменении гидравлического сопротивления [21]. Следовательно, можно заключить, что при добавлении торфа с массовой концентрацией, равной 5 %, энергетические затраты на перекачивание моторного масла при ламинарном режиме увеличатся в 1,5 раза, а при турбулентном - в 1,1 раза. Энергетические затраты на перекачивание дизельного топлива при ламинарном режиме увеличатся в 2,26 раза, при турбулентном режиме - в 1,23 раза. Однако проведенные эксперименты показали, что происходит расслоение суспензии и при ламинарном режиме течения торф будет выпадать осадок. Целесообразно проводить перекачивание в турбулентном режиме.
Заключение. В данной работе получены следующие результаты теоретических и экспериментальных исследований, показывающие перспективность использования торфа в качестве сорбента нефти и нефтепродуктов с дальнейшей утилизаций отработанного материала в качестве топлива:
1) торф обладает сорбционными свойствами по отношению к нефти и нефтепродуктам, которые проявляются с первых минут контакта. Также получено, что нефтеемкость существенно зависит от вязкости сорбированных нефтепродуктов;
2) оценены основные теплотехнические свойства торфа, насыщенного нефтепродуктами; получено, что сорбированные нефтепродукты увеличивают как влажность, так и зольность торфа в сравнении с исходным образцом;
3) сорбированные нефтепродукты увеличивают теплоту сгорания торфа в 1,95 раза для отработанного моторного масла и в 2,15 раза для дизельного топлива;
4) насыщенный нефтепродуктами торф может сжигаться как самостоятельное топливо, так и в качестве добавки к традиционному топливу. Проанализировано изменение зольности на рабочую массу при совместном сжигании торфа с каменным углем;
5) при добавлении торфа в суспензию «моторное масло - торф» в количестве 5 % значения кинематической вязкости увеличились на 51 %, а при добавлении в суспензию «дизельное топливо - торф» -на 114 % по сравнению с чистым нефтепродуктом;
6) при добавлении торфа с массовой концентрацией, равной 5 %, энергетические затраты на перекачивание моторного масла при ламинарном режиме увеличатся в 1,5 раза, а при турбулентном - в 1,1 раза; энергетические затраты на перекачивание дизельного топлива при ламинарном режиме затраты увеличатся в 2,26 раза, при турбулентном режиме - в 1,23 раза. Однако при ламинарном режиме течения торф будет выпадать осадок.
Таким образом, необходимо отметить, что проведенные исследования показывают возможность использования местных топливных ресурсов для получения тепловой энергии как на объектах малой энергетики, так и на мощных электростанциях, безопасных в экологическом плане.
Стоит отметить, что в последнее время в мире, в том числе и в РФ, наблюдается тенденция к росту потребления твердого топлива в котельных агрегатах и установках, поэтому способ совместного сжигания угля и торфа вполне может быть реализован.
Список литературы
1. Research of the ecological state of soils in oil producing areas of Western Siberia / V. Parfenov, S. Alexandrov, Yu. Sivkov, A. Nikiforov // 16th International Multidisciplinary Scientific GeoConference. Ecology, Economics, Education and Legislation. - Bulgaria, 2016. - Book 5. Vol. II. - P. 665-672.
2. Государственный доклад о состоянии и об охране окружающей среды Российской Федерации в 2021 году [Электронный ресурс]. - URL: https://www.mnr.gov.ru/docs/gosudarstvennye_doklady/gosudarstvennyy_doklad_ o_sostoyanii_i_ob_okhrane_okruzhayushchey_sredy_rossiyskoy_federatsii_v_202 1_/ (дата обращения: 12.12.2022).
3. Росприроднадзор в 2021 году зафиксировал 32 разлива нефтепродуктов компаниями [Электронный ресурс]. - URL: https://tass.ru/obschestvo/ 13161131 (дата обращения: 12.12.2022).
4. Названа причина разлива мазута в акватории Таманского залива [Электронный ресурс]. - URL: https://kubnews.ru/proisshestviya/2022/12/22/ nazvana-prichina-razliva-mazuta-v-akvatorii-tamanskogo-zaliva/ (дата обращения: 12.12.2022).
5. Ивахнюк С.Г. Прогностическое моделирование загрязнения морских акваторий при аварийных разливах нефти и нефтепродуктов // Проблемы управления рисками в техносфере. - 2021. - № 4 (60). - С. 60-67.
6. The adsorption, regeneration and engineering applications of biochar for removal organic pollutants: a review / Y. Dai [et al.] // Chemosphere. - 2019. -223. - P. 12-27. DOI: 10.1016/j.chemosphere.2019.01.161
7. Дремичева Е.С. Механизм адсорбционной очистки сточных вод от эмульгированных нефтепродуктов // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Химическая технология и биотехнология. - 2022. - № 3. - С. 73-88. DOI: 10.15593/2224-9400/2022.2.06
8. Sorption properties of high-moor peat in the Belomorian province / S.B. Selyanina, A.S. Orlov, T.I. Ponomareva, M.V. Trufanova, O.N. Yarygina, T.V. Sokolova, N.E. Sosnovskaya, V.S. Pekhtereva // Nature management. - 2019. -№ 1. - Р. 211-218.
9. Изучение процесса сорбции растворенных нефтепродуктов из водных сред углеродсодержащим материалом / И.В. Старостина, Н.Ю. Кирюши-на, А.С. Лушников, М.А. Паленова, М.А. Писклов // Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе. - 2022. - № 3 (306). - С. 60-66.
10. Татаринцева Е.А., Ольшанская Л.Н. Получение эффективных неф-тесорбентов для очистки вод на основе отходов химической промышленности // Промышленные процессы и технологии. - 2021. - Т. 1, № 1. - С. 6-16.
11. Adsorption of organic pollutants by adsorbents based on nanomaterials: A review / A.M. Avad [et al.] // Journal of Molecular Fluids. - 2020. - No. 301. -P. 112335. DOI: 10.1016/j.molliq.2019.112335
12. Kurbangaleeva M.Kh. Improvement of Emergency Oil Spill Management Technology // IOP Conf. Series: Earth and Environmental Science. - 2022. -Vol. 988, no. 022008. - P. 1-5. DOI: 10.1088/1755-1315/988/2/022008.
13. Dremicheva E.S., Laptev A.G. Modeling the process of sorption for the purification of waste water from petroleum products and heavy metals // Theoretical Foundations of Chemical Engineering. - 2019. - No. 53(3). - Р. 355-363. DOI: 10.1134/S0040579519030047
14. Теплофизические свойства торфозема на низинном торфе / Е.В. Ше-ин, А.Д. Позднякова, Н.В. Сорокина, А.В. Дембовецкий, А.П. Шваров, Л.И. Ильин // Почвоведение. - 2019. - № 11. - С. 1339-1345.
15. Михайлов А.В. Развитие глобального рынка торфа // Труды Ин-сторфа. - 2018. - № 18 (71). - С. 3-7.
16. Школьная электронная энциклопедия «Татар иле». Торф [Электронный ресурс]. - URL: http://tatarile.tatar/ru/encyclopedia/torf (дата обращения: 12.12.2022).
17. Дремичева Е.С. Использование твердотопливных композиций при совместном сжигании на объектах малой энергетики // Промышленная энергетика. - 2021. - № 8. - С. 48-56. DOI: 10.34831/EP.2021.21.66.006
18. Дремичева Е.С., Эминов А.А. Эколого-экономические аспекты использования торфа в энергетике // Вестник Казанского государственного энергетического университета. - 2022. - Т. 14, № 1 (53). - С. 96-108.
19. Дремичева Е.С. Совместное сжигание на объектах теплоэнергетики каменного угля и твердотопливных композиций на основе биотоплива // Международный научный журнал Альтернативная энергетика и экология. -2020. - № 31-33 (353-355). - С. 66-71.
20. Дремичева Е.С., Эминов А. Перспективы использования загрязненного нефтепродуктами торфа в энергетике // Вестник Казанского государственного энергетического университета. - 2021. - Т. 13, № 2 (50). - С. 133-141.
21. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. - М.: Альянс, 2005. - 753 с.
References
1. Parfenov V., Alexandrov S., Sivkov Yu., Nikiforov A. Research of the ecological state of soils in oil producing areas of Western Siberia. Bulgaria: 16th International Multidisciplinary Scientific GeoConference. Ecology, Economics, Education and Legislation, 2016, book 5, volume II, pp. 665-672.
2. Gosudarstvennyj doklad o sostoyanii i ob oxrane okruzhayushhej sredy' Rossijskoj Federacii v 2021 godu [State report on the state and protection of the environment of the Russian Federation in 2021]. Access mode: https://www.mnr.gov.ru/ docs/gosudarstvennye_doklady/gosudarstvennyy_doklad_o_sostoyanii_i_ob_okhrane_ okruzhayushchey_sredy_rossiyskoy_federatsii_v_2021_/.
3. Rosprirodnadzor v 2021 godu zafiksiroval 32 razliva nefteproduktov kompaniyami [Rosprirodnadzor recorded 32 oil spills by companies in 2021]. Access mode: https://tass.ru/obschestvo/13161131.
4. Nazvana prichina razliva mazuta v akvatorii Tamanskogo zaliva [The cause of the fuel oil spill in the water area of the Taman Bay has been named]. Access mode: https://kubnews.ru/proisshestviya/2022/12/22/nazvana-prichina-razliva-mazuta-v-akvatorii-tamanskogo-zaliva/.
5. Ivahnjuk S.G. Prognosticheskoe modelirovanie zagrjaznenija morskih akvatorij pri avarijnyh razlivah nefti i nefteproduktov [Predictive modeling of marine pollution in case of accidental spills of oil and oil products]. Risk management problems in the technosphere, 2021, no. 4 (60), pp. 60-67.
6. Dai, Y., et al. The adsorption, regeneration and engineering applications of biochar for removal organic pollutants: a review. Chemosphere, 2019, no. 223, pp. 12-27. https://doi.org/10.1016Zj.chemosphere.2019.01.161.
7. Dremicheva E.S. Mexanizm adsorbcionnoj ochistki stochnyx vod ot e'mufgirovanny'x nefteproduktov [Mechanism of adsorption treatment of wastewater from emulsified petroleum products]. Bulletin of the Perm National Research Polytechnic University. Chemical Technology and Biotechnology, 2022, no. 3, pp. 73-88. https://doi.org/10.15593/2224-9400/2022.2.06.
8. Selyanina S.B., Orlov A.S., Ponomareva T.I., Trufanova M.V., Yarygina O.N., Sokolova T.V., Sosnovskaya N.E., Pekhtereva V.S. Sorption properties of highmoor peat in the Belomorian province. Nature management, 2019, no. 1, pp. 211-218.
9. Starostina I.V., Kirjushina N.Ju., Lushnikov A.S., Palenova M.A., Pisklov M.A. Izuchenie processa sorbcii rastvorennyh nefteproduktov iz vodnyh sred uglerodsoderzhashhim materialom [Study of the process of sorption of dissolved petroleum products from aqueous media by a carbon-containing material]. Environmental protection in the oil and gas complex, 2022, no. 3 (306), pp. 60-66.
10. Tatarinceva E.A., Ol'shanskaja L.N. Poluchenie jeffektivnyh neftesorbentov dlja ochistki vod na osnove othodov himicheskoj promyshlennosti [Obtaining effective oil sorbents for water treatment based on waste products from the chemical industry]. Industrial processes and technology, 2021, vol. 1, no. 1, pp. 6-16.
11. Avad, A.M., et al. Adsorption of organic pollutants by adsorbents based on nanomaterials. Journal of Molecular Fluids, 2020, no. 301, pp. 112335. https://doi.org/10.1016/j.molliq.2019.112335.
12. Kurbangaleeva M.Kh. Improvement of Emergency Oil Spill Management Technology. IOP Conf. Series: Earth and Environmental Science, 2022, vol. 988, no. 022008, pp. 1-5. https://doi.org/10.1088/1755-1315/988/2/022008.
13. Dremicheva E.S., Laptev A.G. Modeling the process of sorption for the purification of waste water from petroleum products and heavy metals. Theoretical Foundations of Chemical Engineerin, 2019, no. 53(3), pp. 355-363. Doi: 10.1134/S0040579519030047.
14. Shein E.V., Pozdnyakova A.D., Sorokina N.V., Dembovetsky A.V., Shvarov A.P., Ilyin L.I. Teplofizicheskie svojstva torfozema na nizinnom torfe [Thermal physical properties of peatsem on lowland peat]. Soil Science, 2019, no. 11, pp.1339-1345.
15. Mikhailov A.V. Razvitie global'nogo ry'nka torfa [Development of the Global Peat Market]. Proceedings of the Inst., 2018, no. 18 (71), pp. 3-7.
16. Shkol'naya e'lektronnaya e'nciklopediya «Tatar ile». Torf [School electronic encyclopedia «Tatar ile». Peat]. Access mode: http://tatarile.tatar/ru/en-cyclopedia/torf.
17. Dremicheva E.S. Ispol'zovanie tverdotoplivny'x kompozicij pri sovmestnom szhiganii na ob''ektax maloj e'nergetiki [The use of solid-fuel compositions in co-combustion at small power facilities]. Industrial Energy, 2021, no. 8, pp. 48-56. https://doi.org/10.34831/EP.2021.21.66.006.
18. Dremicheva E.S., Eminov A.A. E'kologo-e'konomicheskie aspekty' ispol'zovaniya torfa v e'nergetike [Environmental and economic aspects of the use of peat in the energy sector]. Bulletin of the Kazan State Power Engineering University, 2022, vol. 14, no. 1 (53), pp. 96-108.
19. Dremicheva E.S. Sovmestnoe szhiganie na ob''ektax teploe'nergetiki kamennogo uglya i tverdotoplivny'x kompozicij na osnove biotopliva [Combined combustion of hard coal and solid fuel compositions based on biofuels at the heat and power facilities]. International Scientific Journal Alternative Energy and Ecology,, 2020, no. 31-33 (353-355), pp. 66-71.
20. Dremicheva E.S., Eminov A. Perspektivy' ispol'zovaniya zagryaz-nennogo nefteproduktami torfa v e'nergetike [Prospects for the use of oil-contaminated peat in the energy sector]. Bulletin of the Kazan State Power Engineering University, 2021, vol. 13, no. 2 (50), pp. 133-141.
21. Kasatkin A.G. Osnovny'e processy' i apparaty' ximicheskoj texnologii [Basic processes and apparatuses of chemical technology]. Moscow: TID «Alliance» Ltd., 2005, p. 753.
Об авторах
Дремичева Елена Сергеевна (Лаишево, Россия) - кандидат технических наук, доцент, заведующая отделением очного и заочного образования Лаишевского технико-экономического техникума (422610, г. Лаишево, ул. Маяковского, 14, е-mail: lenysha@mail.ru).
Зверева Эльвира Рафиковна (Казань, Россия) - доктор технических наук, профессор кафедры «Инженерная экология и безопасность труда» Казанского государственного энергетического университета (420066, г. Казань, ул. Красносельская, 51).
Эминов Абдысердар Абдылменапович (Казань, Россия) - аспирант кафедры «Экономика и организация производства» Казанского государственного энергетического университета (420066, г. Казань, ул. Красносельская, 51).
About the authors
Elena S. Dremicheva (Laishevo, Russian Federation) - Ph.D. in Technical Sciences, Associate Professor, Head of the department of full-time and part-time education Laishevo' Technical and Economic College (14, Mayakovskiy str., Laishevo, 422610, e-mail: lenysha@mail.ru).
Elvira R. Zvereva (Kazan, Russian Federation) - PhD in engineering, Professor, Department of Environmental Engineering and Occupational Safety Kazan State Power Engineering University (51, Krasnoselskaya str., Kazan, 420066).
Abdyserdar A. Eminov (Kazan, Russian Federation) - Post-graduate student of the Department of «Economics and Organization of Production», Kazan State Power Engineering University (51, Krasnoselskaya str., Kazan, 420066).
Поступила: 10.01.23
Одобрена: 15.02.2023
Принята к публикации: 15.03.2023
Финансирование. Исследование не имело спонсорской поддержки.
Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Вклад авторов равноценен.
Просьба ссылаться на эту статью в русскоязычных источниках следующим образом:
Дремичева, Е.С. Использование низкокачественного местного топлива в качестве сорбента нефти и нефтепродуктов / Е.С. Дремичева, Э.Р. Зверева, А.А. Эминов // Вестник ПНИПУ. Химическая технология и биотехнология. - 2023. - № 1. - С. 92-111.
Please cite this article in English as:
Dremicheva E.S., Zvereva E.R., Eminov A.A. Use of low-quality local fuel as a sorbent for oil and petroleum products. Bulletin of PNRPU. Chemical Technology and Biotechnology, 2023, no. 1, pp. 92-111 (In Russ).
