CC BY
34
■-►
ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИЕ
УДК 53.06:665.6/.7
А.А. Галичина, А.Ю. Карсеев, В.В. Давыдов, В.И. Дудкин
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТОПЛИВНЫХ НЕФТЯНЫХ ЭМУЛЬСИЙ В ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВКАХ ПРЕДПРИЯТИЙ
A.A. Galichina, A.Yu. Karseev, V.V. Davydov, V.l. Dudkin
THE USE OF FUEL OIL EMULSION FOR THE POWER INSTALLATIONS ON ENTERPRISES
В статье рассмотрены проблемы утилизации нефтяных пленок, образующихся после вторичной сепарации нефти. Предложен новый метод подготовки топливных нефтяных эмульсий для эффективного использования их в топках энергетических установок. Найден новый подход к эффективному измерению концентраций воды и нефти в текущем потоке бинарной смеси.
НЕФТЯНАЯ ЭМУЛЬСИЯ. ТОПЛИВНАЯ НЕФТЯНАЯ ЭМУЛЬСИЯ. СЕПАРАЦИЯ. ЯДЕРНО-МАГНИТНЫЙ РЕЛАКСОМЕТР. ВРЕМЯ ПРОДОЛЬНОЙ РЕЛАКСАЦИИ Г,.
In clause problems of oil skins utilization are considered. These skins are formed after secondary oil separation. The new method of fuel oil emulsions preparation for their effective use in power installation fireboxes has been proposed. The new approach to effective measuring of the concentrations of water and oil in the binary mixture flowing stream has been found.
OIL EMULSION. FUEL OIL EMULSION. SEPARATION. NUCLEAR — MAGNETIC RELAXOMETER. SPONTANEOUS RELAXATION TIME T{.
С непрерывным развитием промышленности и постоянным ростом численности населения увеличиваются потребности в жидком топливе и других продуктах нефтяной отрасли. Возрастают добыча, объемы транспортировки и переработки нефти, а также отходы нефтяной промышленности. Особый интерес представляют нефтяные остатки (осадки) — шлам после сепарации нефти и топлива, отходы чисток судового оборудования (в основном танкеров), нефтяные протечки судовых механизмов и др. Причем количество отходов сепарации нефти и нефтяных топлив зависит от типа используемого топлива, от цикла сепарации (первичная или вторичная) [1, 2].
В представленной статье рассматриваются нефтяные топливные эмульсии, которые будут изготовлены из нефтяных пленок. Под нефтяной пленкой (НП) имеется в виду смесь воды и нефти с содержанием нефти в этой смеси не более 30 %. Эти пленки образуются после второго цикла сепарации нефтяных остатков [3, 4]. Количество таких остатков ориентировочно может быть оценено как 1,5—2,0 % от ежедневного расхода топлива при работе на тяжелой нефти, которая в основном добывается в нашей стране, и продуктах ее переработки [5]. При этом остатки в топливных танках могут достигать 7 % от количества находящегося в нем тяжелого топлива [4]. Это очень большое коли-
чество отходов, особенно если процесс идет непрерывно [2, 5].
Общее у всех нефтяных отходов то, что их достаточно трудно очищать. Но нефтяные пленки представляют самую большую проблему с точки зрения охраны окружающей среды [6]. Дальнейшее получение нефти и других продуктов из нефтяных пленок экономически невыгодно из-за низкой рентабельности [3].
В настоящее время нефтяные пленки (НП) подвергаются разрушению специальными де-эмульгирующими реагентами, используются также выщелачивание (продукты, которого в последующем также нуждаются в очистке) и биодеградация [1—3, 7]. Все эти методы нуждаются в специальном полигоне для захоронения остатков. Требуется много территории и постоянное проведение работ на ней и т. д.
Образование топливных нефтяных эмульсий
Топливные нефтяные эмульсии в количествах, которые представляют интерес для использования их в энергетических установках, образуются в основном на нефтеперерабатывающих предприятиях или в портах, где происходит вторичная сепарация нефти и нефтепродуктов.
На выходе трехфазного стандартного сепаратора получается нефть, вода и нефтяная пленка [3, 8]. Чтобы НП можно было использовать в качестве топлива для устойчивой работы топок надо снизить в них содержание воды до 30 % и равномерно распределить воду в потоке подаваемого горючего [9, 10].
Мы поставили перед собой задачи:
разработать метод подготовки нефтяных топливных эмульсий из НП для эффективного использования в топках энергетических установок;
разработать систему контроля содержания воды в топливных нефтяных эмульсиях и экспресс-контроля качества очищенной от НП воды.
Подготовка топливных нефтяных эмульсий и систем контроля
Эмульсии представляют собой дисперсные системы из двух взаимно мало- или нерастворимых жидкостей, в которых одна диспергирована в другой в виде мельчайших капель — глобул.
После вторичной сепарации нефтяных отходов в качестве вторичных отходов образуется смесь воды и нефти с малой долей нефти в смеси, т. е. нефтяная пленка, как ее принято называть в технологическом процессе сепарации. Содержание нефти в ней не превышает 30 % [3—5]. Был разработан метод подготовки этой нефтяной эмульсии ее для переработки в топливную нефтяную эмульсию (ТНЭ) пригодную в качестве топлива энергетических установок. На рис. 1 представлена упрощенная технологическая схема процесса подготовки ТНЭ, соответствующая разработанному методу.
Нефтяная пленка, содержащая до 80 % воды, поступает в специальный резервуар, в котором она нагревается до температуры 30—35 °С. В резервуаре происходит частичное разделение фракций под действием силы тяжести [7]. На выходе из резервуара содержание воды в жидкой среде не превышает 65 %. Для точного определения соотношения концентраций вода и нефти используется ядерно-магнитный релаксометр (ЯМР) проточного типа. Данное соотношение необходимо знать для управления трехфазовой центрифугой с целью достижения максимально эффективной сепарации [6—8]. Дальше, чтобы облегчить процесс разделения воды и нефти, жидкую среду подвергают электрообработке, пропуская ее поток через переменное электрическое поле промышленной частоты напряженностью в десятки кВ/см [3]. Аналогичный процесс используется в цикле вторичной сепарации НЭ [4].
После сепарации получаем жидкую нефтяную среду (очень похожую на НЭ) — нефть с содержанием воды от 4 до 9 %. Дальнейшее получение нефти из этой среды экономически невыгодно. Поэтому ее смешивают с другими нефтяными остатками в специализированной установке ВКИ-4Б, которая используется в настоящее время на территории Северо-Западного региона. В качестве стабилизатора в установку добавляют побочный продукт переработки сланцевого масла — полимеры с молекулярной массой 5000-7000.
Эффективный контроль ТНЭ, полученной данным методом, удобно проводить приборами, принцип действия которых основан на явлении ядерного магнитного резонанса [9, 10]. Контроль количественного состава в ТНЭ необходим для
Природопользование
Рис. 1. Упрощенная технологическая схема процесса подготовки ТНЭ:
1 — специальный резервуар для отстаивания; 2 и 6 — ядерно-магнитный релаксометр; 3 — блок электрообработки; 4 — блок управления центрифугой; 5 — модернизированная ВКИ — 4Б; 7 — центрифуга
того, чтобы было выдержано процентное соотношение между нефтью, водой и стабилизатором. Иначе происходит срыв факела и затухание форсунки. Попытка вторичного пуска котло-агрегатов сопровождаются сильными хлопками и разрушением топок [3].
Контроль нефтяных пленок и топливных эмульсий
Поступающая на вход ЯМР релаксометра жидкая среда имеет вязкость, превышающую вязкость воды в 1,3—1,4 раза, кроме того, она нагрета до температуры чуть больше 30 °С. По этим причинам использовать эффективно работающий ЯМР спектрометр в цикле вторичной сепарации нефти [9, 10] затруднительно в силу конструктивных особенностей. Поэтому была разработана конструкция проточного ЯМР релаксометра, собранного по схеме меточного ЯМР расходомера [11, 12]. В собранной конструкции были также учтены особенности измерений НЭ, представленные в [10].
Так как времена продольной релаксации Тх нефти и воды значительно различаются по величине, для определения процентного состава этой жидкой среды был реализован метод
определения Т1, основанный на измерении оптимальной индукции радиочастотного поля в катушке регистрации.
Данный метод основан на решении уравнений Блоха, трансформированных по методу Вагнеса, для ламинарного течения жидкости [13—15]. В этом случае сигнал ЯМР максимален только при определенной амплитуде индукции переменного магнитного поля В1опт в приемной катушке, которая следующим образом зависит от времен продольной Т и поперечной Т2 релаксации:
У^опт. = (Т 72) "V2, где у — гиромагнитное отношение ядра.
Время поперечной релаксации Т2 определяется по затуханию «виглей» сигнала ЯМР [11]; далее, измеряя В1опт, соответствующее максимальной амплитуде сигнала ЯМР, вычисляем Тх. Экспериментально установлено, что для чистой нефти и воды оптимальные напряжения радиочастоты на приемной катушке составляют соотношение 3 к 1 [11, 13]. Для смеси соотношение изменится и будет иметь промежуточный характер. На рис. 2 представлена экспериментальная зависимость амплитуды сигнала ЯМР от времени продольной релаксации Т1 жидкой среды при различных температурах.
А, о. е.
0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0
// V 4 2
F // // X > 1
// / t............ 4
7/ /У
/s V
у/ /s У
s
\ \ f i i i
0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 Т, с
Рис. 2. Зависимость амплитуды сигнала ЯМР от времени продольной релаксации жидкой среды при температурах: 10 (1) и 25 (2) °С
Жидкая среда была изготовлена путем смешивания тяжелой нефтяной фракции с Тх = = 64 мс при температуре 25 °С и водопроводной воды, отфильтрованной от механических примесей специализированным мембранным фильтром, с Тх = 2,362 с при той же температуре. Полученные экспериментальные значения показывают, что в области температур от 10 до 30 °С изменения в амплитуде сигнала ЯМР — незначительные, что позволяет после предварительной градуировки использовать разработанный нами ЯМР релаксометр для измерения Тх в этом диапазоне температур.
Контроль процентного соотношения воды и нефти в полученной ТНЭ с помощью предложенного в работах [9, 10] ядерного магнитного спектрометра будет давать в показаниях через некоторое время большую погрешность (уменьшается площадь поперечного сечения отводящего трубопровода). Причина этого — в наличии полимерных стабилизаторов, которые присутствуют в виде крупинок, так как не могут полностью раствориться при таких температурах ТНЭ (крупинки образуют наросты и засоры на стыке с заборным элементом). Это приведет к тому, что заборная проба будет со временем все меньше и меньше отображать долевые части компонент жидкой среды. Поэтому для определения процентного соотношения воды и нефти также бу-
дем использовать описанную ранее в статье конструкцию проточного ЯМР релаксометра, которая не нарушает герметичность трубопровода и позволяет проводить бесконтактные измерения.
Полученные результаты измерений концентраций нефти и воды в жидкой среде и ТНЭ с помощью проточного ЯМР релаксометра в лаборатории нашего университета в пределах погрешности измерений ( ± 1 %) совпадают с измерениями концентрации нефти и воды в пробах от этой жидкой среды и ТНЭ при тех же температурах, проведенных на рентгеновском спектрометре S2 RANGER (фирма BRUKER) с погрешностью заведомо меньшей, чем у нашего прибора. Пробы исследовались в лаборатории Санкт-Петербургского национального минерально-сырьевого университета «Горный».
Полученная топливная нефтяная эмульсия полностью сгорает с конверсией углерода. Кроме того, возможно ее сжигание при малых концентрациях кислорода и более низких температурах, чем у других водно-топливных эмульсий. При ее сжигании снижаются больше чем на порядок выбросы в атмосферу полиароматических канцерогенных соединений, уменьшаются в два раза выбросы окислов азота, а также уменьшаются выбросы золы по сравнению с мазутом.
Природопользование -►
С экологической точки зрения преимущество предложенного метода получения ТНЭ в том, что не надо использовать щелочную очистку НП с последующим хранением на полигонах отработанных материалов, где в процессе очистки может быть повреждена дренаж-
ная система, что влечет за собой дополнительные расходы как на ее восстановление, так и на процесс утилизации отходов. Описанный в статье метод получения и использования ТНЭ имеет высокую экологическую эффективность.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Топливные эмульсии [Электронный ресурс].— http: //www. afuelsystems. com/ru/water/water. html/.
2. Топливные эмульсии [Электронный ресурс].— http://wwwngpedia.ru/id617207p1.html/.
3. Поконова, Ю.В. Нефтепродуктосбережение (водотопливные эмульсии) [Текст] / Ю.В. Поконова.— СПб.: Рикон, 2010.— 172 с.
4. Леффлер, У. Переработка нефти [Текст] / У. Леффлер.— М.: Олимп-Бизнес, 2007.— 223 с.
5. Алдакимов, Ф.Ю. Теория, практика и переработка нефти ОАО «Сургутнефтегаз» [Текст] / Ф.Ю. Алдакимов.— Сургут: РИИЦ «Нефть Приобья», 2008.— 118 с.
6. Беляков, В.Л. Автоматический контроль нефтяных эмульсий [Текст] / В.Л. Беляков. — М.: Недра, 1992.— 262 с.
7. Позднышев, Г.Н. Стабилизация и разрушение эмульсий [Текст] / Г.Н. Позднышев.— М.: Недра, 1982. 222 с.
8. Кашаев, Р.С. Импульсная спектроскопия ЯМР структурно-динамического анализа нефтяных дисперсных систем [Текст] / Р.С. Кашаев, И.Н. Дияров.— Казань: Грандан, 2002.— 109 с.
9. Kashaev, R.S.-H. Nuclear magnetic relaxation iv vivo study method for determination of structure parameters of media/near cell and substrate/biomass concentration [Текст] / R.S.-H. Kashaev // European Biophysics Journal.— 1997. уо1. 26, № 1.— P. 130.
10. Кашаев, Р.С. Управляемая от релаксометра ядерного магнитного резонанса (ЯМР) установка для переработки нефтяных остатков, отходов нефтепереработки и стоков в топливные эмульсии [Текст] / Р.С. Кашаев // Современные наукоемкие технологии.— 2006. № 3.— С. 65-65.
11. Жерновой, А.И. Ядерно-магнитные расходомеры [Текст] / А.И. Жерновой.— Л.: Машиностроение, 1985.— 136 с.
12. Давыдов, В.В. Режим работы меточного ЯМР-расходомера на основе эффекта параметрического резонанса [Текст] / В.В. Давыдов, В.И. Дудкин// Известия высших учебных заведений. Приборостроение.— 2002. № 5.— С. 49-51.
13. Abouelwala, M.C. Optimization of continuous wave nuclear magnetic resonance to determine in situ volume fraction and individual flow rates in two component fraction and individual flow rates in two component mixtures [Текст] / M.C. Abouelwala, E.L. Kendell // Rev. Sci. Instr. 1979. Vol. 50, № 12.— P. 1545-1549.
14. Давыдов, В.В. Линия нутации ядерно-магнитного спектрометра с текущим образцом [Текст] / В.В. Давыдов, В.В. Семенов // Радиотехника и электроника.— 1999. Т. 44, № 12.— С. 1528-1531.
15. Гйргидов, А.Д. Механика жидкости и газа (гидравлика) [Текст] / А.Д. Гиргидов.— СПб.: Издательство Политехнического университета, 2007.— 545 с.
ГАЛИЧИНА Алина Андреевна — студент института физики, нанотехнологий и телекоммуникаций
Санкт-Петербургского государственного политехнического университета. 195251, ул. Политехническая д. 29, Санкт-Петербург, Россия (812)596-52-13 alinka.pirate@gmail.com
КАРСЕЕВ Антон Юрьевич — студент института физики, нанотехнологий и телекоммуникаций Санкт-
Петербургского государственного политехнического университета.
195251, ул. Политехническая д. 29, Санкт-Петербург, Россия
(812)786-24-11
antonkarseev@gmail.com
ДАВЫДОВ Вадим Владимирович — кандидат физико-математических наук, доцент кафедры квантовой электроники Санкт-Петербургского государственного политехнического университета. 195251, ул. Политехническая д. 29, Санкт-Петербург, Россия davydov_vadim66@mail.ru
ДУДКИН Валентин Иванович — доктор физико-математических наук, профессор кафедры квантовой электроники Санкт-Петербургского государственного политехнического университета. 195251, ул. Политехническая д. 29, Санкт-Петербург, Россия vidoodkin@mail.ru
© Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, 2013
