CC BY
15
К совершенствованию устройств очистки выбросов АЗС паров углеводородов при снижении образования отходов для повышения экологической безопасности жилых зон
С.А. Кошкарев, Д.Д. Бушнев, А.А. Кузубова, К.С. Кошкарев, М.Ф. Пафаднам Волгоградский государственный технический университет, Волгоград
Аннотация: Статья посвящена вопросу совершенствования устройств очистки выбросов АЗС от паров углеводородов для повышения экологической безопасности зон и территорий жилой застройки. Известно, что выбросы паров бензола, относящегося ко второму классу опасности, имеют существенную проблему в части превышения предельно допустимых концентраций на границах санитарно-защитных зон АЗС и близлежащей жилой застройки. Наибольшая часть выделения паров бензина, поступающих в локальные системы аспирации, связана с заполнением и опорожнением резервуаров хранения топлива на АЗС. Для снижения выбросов от источников АЗС предложено в установках улавливания паров бензина применять аппараты абсорбционного типа. В статье представлены результаты экспериментов на опытно -промышленной установке с аппаратом очистки выбросов АЗС от паров бензола и других углеводородов с использованием раствора смеси натриево-магниевых солей природного типа. В качестве рабочего агента в таких аппаратах было предложено использовать сточную воду очистного устройства АЗС с целью снижения дополнительного количества образования отходов, образующихся при их эксплуатации. По результатам обработки экспериментальных данных получены графическая зависимость и уравнения регрессии. Определены области аэрогидродинамических режимов, при которых достигается наибольшая эффективность для параметров аппарата исследованной модификации. Такой подход также позволяет снижать негативное техногенное воздействие АЗС в части образования дополнительного количества отходов. Проведенные успешные испытания показали надежную и эффективную работу опытной установки с предложенным аппаратом.
Ключевые слова: автозаправочная станция (АЗС), бензин, выброс, атмосфера, концентрация, углеводороды, аспирация, абсорбция, устройство, бишофит, вода.
Современное муниципальное хозяйство городов предполагает экологически безопасную эксплуатацию автозаправочных станций и комплексов (АЗС). Существующие экологические, санитарно-гигиенические нормативы предполагают строительство автозаправочных станций таким образом, чтобы границы санитарно-защитные зоны станций автозаправки располагались за пределами исторически сложившихся жилых зон.
Концентрации паров ингредиентов, содержащихся в атмосфере в районах расположения АЗС Ставрополя, превышают значения Спдк до 50 %, а иногда и более [1,2]. Одним из способов снижения максимальных значений выбросов, наблюдающихся при сливе бензина из топливозаправочных цистерн в резервуары АЗС, являются управленческо-технологические решения (одновременное заполнение одного резервуара), но они не всегда дают требуемый результат [2]. Уменьшению отрицательного воздействия автотранспортными объектами на окружающую среду посвящена работа [3]. Анализ решений в [2,4], показал целесообразность снижения выбросов АЗС и другими, техническими способами.
Загрязнение атмосферного воздуха углеводородами бензина (BTEX) в Рио-де-Жанейро в районах расположения автозаправочных станций имеет место и в других странах. Пробы атмосферного воздуха при заполнении резервуаров хранения бензина АЗС проводились, чтобы оценить рассеивание выбросов. Результаты измерений показали высокие значения концентраций BTEX (бензола), изменявшиеся незначительно в точках отбора проб жилых зон на расстояниях от 50 до 250 м от АЗС [5].
Согласно результатам исследования качества атмосферного воздуха, уровень бензола на всех АЗС был выше нормируемого [6]. Средний индекс опасности (Н1) для воздействия соединений BTEX составлял от 3 до 5 (более значения 1). Сделан вывод о необходимости мониторинга выбросов бензина BTEX АЗС, особенно бензола, являющегося соединением канцерогенного риска, для контроля и управления качества атмосферы городов.
На основе проведенного обзора ограниченной части литературы можно сделать вывод об актуальности дальнейших исследований по данному направлению.
К комплексной проблеме экологической безопасности относится не только выполнение существующих нормативов в части концентраций Спдк -
выбросов паров бензина на АЗС. Другой актуальной проблемой для населения жилых зон и предприятий городов представляет также снижение количества образования отходов. Анализ некоторых устройств показывает, что, например, в устройстве [7] в качестве сорбента использовался мазут и керосин. Известны и другие устройства очистки паровоздушной смеси от углеводородов, например, [8-10] с использованием абсорбционно-десорбционных методов. Эти устройства обеспечивают приемлемую эффективность процесса абсорбции паров бензином, но требуют дополнительных охлаждающих теплообменников для поддержания температуры керосина 25-30°С при существенных капитальных и эксплуатационных затратах. В [11] подтверждена возможность использования для абсорбционного поглощения паров бензина других, кроме керосина, жидких сорбентов углеводородов. Однако данные установки предполагают образование дополнительного количества образования отходов.
В [12] результаты изучения бинарной адсорбции и селективности равновесии бензола и водяного пара показали, что данный процесс удовлетворительно описывается и изотермами адсорбции типа Ленгмюра -Фрейндлиха. При определенных условиях возможно использовать пары воды для процессов селективной сорбции бензола парами воды и последующей кинетической десорбции в устройствах ЛОС. Результаты [13] показали возможность использования в качестве эффективных адсорбентов из отходов кожуры бананов для селективной адсорбции паров толуола и бензола для очистки влагосодержащих сред и атмосферного воздуха от ингредиентов ЛОС.
Таким образом, повышение экологической безопасности совершенствованием аппаратов улавливания выбросов углеводородов АЗС, их дальнейшее исследование является актуальной задачей. При этом,
и
использование в качестве сорбента воды с нефтепродуктами из очистного сооружения АЗС с добавлением смеси натриево-магниевых солей природного типа (бишофита) позволяет снизить образование дополнительного объема отходов.
Теоретическое обоснование и описание процессов абсорбции углеводородов, например, бензола и толуола, с использованием водяного пара достаточно сложно и выходят за рамки данной статьи. При этом для описания процесса сорбции в устройствах можно использовать диффузионные модели:
^ д (Бдс Л д(^с) _ дс дх I дх ) дх дт
(1)
где В - эффективный коэффициент диффузионного объемного перемешивания жидкости в направлении ее движениях; с - безразмерная концентрация поглощаемого вещества в сорбенте-жидкости в направлении ее движениях.
Решение уравнения (1) с граничными условиями общепринятого вида Данквертса:
) = н>с|х=0 - В{йс / Лк)\х 0 , {йс / йх)\х=1 (2)
Ь - приведенная относительная длина устройства (характерный размер), в направлении которой осуществляется движения жидкости-сорбента.
При линейно уменьшающемся кинетическом параметре абсорбционного поглощения паров бензина по приведенной относительной длине устройства х (дс/дт) = -£сможно получить в виде функций-квадратур.
При этом для использования данной модели необходимо провести исследование и получить регрессии для расчета эффективного коэффициента
и
диффузионного объемного перемешивания жидкости в направлении ее движения В„ кинетического параметра абсорбционного поглощения паров {до/дт) = -ке для исследованной области аэрогидродинамических режимов работы устройства.
Для практических целей целесообразно использовать более простой экспериментальный метод исследования с определением регрессивных зависимостей для расчета степени очистки в устройстве в выделенных диапазонах аэродинамических параметров. С этой целью в опытно промышленной установке, схема которой изображена на рис. 1, было применено устройство по патенту [11]. При проведении эксперимента для исследованного устройства в качестве абсорбента использовалась сточная вода из емкости сбора с содержанием около 15% нефтепродуктов с добавлением соли бишофита по массовой концентрации до20 %.
Скорость парогазовой смеси на выходе из устройства измерялась микроманометром электронного типа ЛТА ЭПМ.
Концентрация паров углеводородов в газовоздушной смеси, подаваемой на вход газоулавливающего устройство [11], и после очистки в нем измерялась методами хроматографии по стандартным методикам с использованием прибора «Цвет-500М» [14, 15].
При исследовании предложенного абсорбционного устройства улавливания паров бензина были приняты следующие определяющие факторы по плану трёхфакторного эксперимента [16, 17]:
^ - относительная среднерасходная скорость очищаемой паровоздушной смеси по площади поперечного сечения контактной камеры, отнесенная к 1 м/с; ^ - высота участка заполнения сферической насадкой, отнесенная к обшей высоте контактной камеры Ик; ^ -уровень подъема водного раствора соли бишофита до 20% по массовой концентрации, отнесенный к обшей высоте трубы - камеры.
Схема контактной камеры представлена на рис 1.
4
Рис. 1. - Схема контактной камеры устройства: 1- вход очищаемого газа (входной конфузор); 2-контактная камера технологического блока; 3-сферическая насадка; 4- выход из контактной камеры очищенного от паров бензина воздуха (газовоздушной смеси).
В качестве функций отклика рассматривались степень улавливания паров ингредиентов углеводородов и гидродинамическое сопротивление аппарата в различных аэродинамических режимах работы устройства.
Полученные результаты приведены на рис. 2 и 3. Аналогичные зависимости получены и для других режимов работы аппарата.
М Инженерный вестник Дона, №1 (2021) ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/nly2021/6802
Рис. 2. - Изменение степени улавливания углеводородов от среднерасходовой скорости потока в трубе камеры ^ при использовании сточной воды из емкости сбора стоков с содержанием около 15% нефтепродуктов с добавлением соли бишофита до 20% по массе как сорбента для высоты йз = 0,2 при: 1 - Лж = 0; 2 -
К = 0,25; 3 - К = 0,5.
96 95 94 93 92 91 90
3 *
а 1
ч
V«
Рис. 3. -Изменение степени улавливания углеводородов от среднерасходовой скорости потока в трубе камере ^ при использовании сточной воды с добавлением соли бишофита до 20% по массе для высоты А3 = 0,8
при: 1 - ИЖЖ = 0; 2 - кк = 0,25; 3 - И~ = 0,5.
По результатам математической обработки экспериментальных данных получены уравнения регрессии при использовании в качестве жидкого сорбента 20%-го раствора бишофита по массе в сточной воде при содержании нефтепродуктов около 15%:
л = 0,797 + 0,0285^(1 - 0,1Г)+ 0,1415^ (2,16^ -1)+ 0,1485^(^ - 0,1б)(2)
Уравнение регрессии для расчета эффективности улавливания бензола, являющегося веществом 2 класса опасности, имеет асимптотический вид:
Лбезоа = 0,757 + 0,02705ук (1 - 0, 1Ук)+ 0, 134Д,(2, 16Д, -1)+ 0, 141А. (кж - 0, 15)(3)
Экспериментально установлено, что приемлемая для практики эффективность улавливания паров достигается при среднерасходной скорости по площади поперечного сечения очищаемой газовоздушной смеси потока в камере ук = 2,5 - 4 м/с, и заполнении трубы - камеры сферической насадкой на 80 % от ее общей высоты, при уровне сорбента в 50 %.
Преимуществом использования сточной воды по сравнению с другими сорбентами, например, мазутом, является отсутствие необходимости сложного промышленного рециклинга. Насыщенная парами углеводородов отработанного сорбента вода направляется на очистные сооружения.
Выводы.
1. Улавливание паров бензина в эффективных устройствах систем аспирации и использование воды из емкости сбора стоков с территории АЗС с добавлением соли бишофита до 20% по массе как сорбента в абсорбере снижает выброс паров до 90% с достижением нормативов выбросов, сокращает образование отходов и является значимым вкладом в решение актуальной задачи повышения экологической безопасности.
2. Масштабирование исследованного абсорбера достигается увеличением числа ячеек (контактных камер) при сохранении их геометрических размеров (диаметр, высота) для рекомендуемых скоростных режимов парогазовой смеси в трубе камеры.
Литература
1. Соколова, Е.В., Сидякин, П.А. К вопросу моделирования рассеивания выбросов паров тяжелых углеводородов и обоснованию размера санитарно-защитной зоны АЗС// Современная наука и инновации. 2013. № 4. С. 24-32.
2. Соколова, Е. В. Обоснование мероприятий по снижению уровня воздействий АЗС на атмосферу городских комплексов // Вестник СевероКавказского федерального университета. 2013. №. 3 (36). С. 102-107.
3. Беспалов, В.И., Мазепа, Я.А. Анализ воздействия автотранспортных предприятий на городскую среду // Инженерный вестник Дона, 2012, № 4. URL:ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4p2y2012/1331.
4. Кошкарев, С.А., Заурова, Ф.Х., Кузубова, А.А., Хаустова, Е.П., Кошкарев, К.С. К результатам исследования уровня загрязнения воздуха в районе расположения АЗС для снижения выбросов углеводородов // Инженерный вестник Дона. 2020. №3. URL:ivdon.ru/ru/magazine/archive/N3y2020/6372.
5. Correa S. M. et al. The impact of BTEX emissions from gas stations into the atmosphere //Atmospheric pollution research. 2012. V. 3 (2). Pp. 163-169.
6. Asadi M, Mirmohammadi M. Experimental study of benzene, toluene, ethylbenzene, and xylene (BTEX) contributions in the air pollution of Tehran, Iran. Environmental Quality Management.2017. V.27 (1). Pp.83-93.
7. Патент № 139122 Россия, МКИ В 01 Д 47/02. Устройство для очистки газов / Кошкарев С.А., Азаров, В. Н., Кисленко Т. А. Заявка № 2013138200/05; Заяв. 15.08.2013. Опубл. 10.04.2014. Бюл. № 10.
8. Патент RU №2155631 Россия, МПК (мкл.) В013/14. Способ утилизации паров бензина / Сахабутдинов, Р.З., Фаттахов, Р.Б., Тронов В.П. 06.05.1996.
9. Патент США№4475928, мкл. В01Б 53/14, Anker J. Jacobsen, Bjergbakkevej 45, DK-2600 Glostrup, Denmark, 1984.
10. Патент RU№2100689.МПК (мкл.)Б17С 3/00 (1995.01). Способ хранения жидких углеводородов / Будников, В.Ф., Басарыгин, Ю.М., Завертайло, М.М. Заявка: 95109542/25, 07.06.1995. Опубл. 27.12.1997.
11. Патент РФ №2575887, МКИ В 01 Д 47/02. Устройство для очистки газов. / Кошкарев С. А., Азаров В. Н. Опубл. 02. 2016.
12. Zhao Z. et al. Competitive adsorption and selectivity of benzene and water vapor on the microporous metal organic frameworks (HKUST-1) // Chemical engineering journal. 2015. V. 259. Pp.79-89.
13. Shen X. et al. Record-high capture of volatile benzene and toluene enabled by activator implant-optimized banana peel-derived engineering carbonaceous adsorbents // Environment International. 2020. V. 143. 105774.
14. Другов, Ю. С. Березин, В. Г. Газохроматографический анализ загрязненного воздуха. М.: Химия, 1981. 265 с.
15. Мишина, Л. А., Юрьев, М. Я. Методы химического, физико-механического и метрологического контроля / Ленинград : Недра, 1998. 192 с.
16. Зажигаев, Л. О., Кишьян, А. А., Романников, Ю. И. Методы планирования и обработки результатов физического эксперимента / Москва: Атомиздат, 1978. 232 с.
17. Джонсон, Н. Статистика и планирование эксперимента в технике и науке. Методы планирования эксперимента. М.: Мир, 1981. 520 с.
References
1. Sokolova, E.V., Sidjakin, P.A. Sovremennaja nauka i innovacii. 2013. N 4. Pp. 24-32.
2. Sokolova, E. V. Vestnik Severo-Kavkazskogo federal'nogo universiteta. 2013. Vyp. 3 (36). Pp. 102-107.
3. Bespalov, V.I., Mazepa, Ja.A. Inzhenernyj vestnik Dona, 2012, № 2 URL:ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4p2y2012/1331
4. Koshkarev S.A., Bushnev D.D., Kuzubova A.A., Koshkarev K.S., Paphandam M.F. Inzhenernyj vestnik Dona, 2020, № 3. URL:ivdon.ru/ru/magazine/archive/ n3y2020/6372.
5. Correa S. M. et al. The impact of BTEX emissions from gas stations into the atmosphere Atmospheric pollution research. 2012. V. 3 (2). Pp. 163-169.
6. Asadi M, Mirmohammadi M. Experimental study of benzene, toluene, ethylbenzene, and xylene (BTEX) contributions in the air pollution of Tehran, Iran. Environmental Quality Management. 2017. V.27 (1). Pp.83-93.
7. Patent № 139122 Rossija, MKI V 01 D 47/02. Ustrojstvo dlja ochistki gazov. [Gas cleaning device]. Koshkarev, S.A., Azarov, V. N., Kislenko T. A. Zajavka № 2013138200/05; Zajav. 15.08.2013. Opubl. 10.04.2014. Bjul. № 10.
8. Patent RU №2155631 Rossija, MPK (mkl.) V013/14. Sposob utilizacii parov benzina [Gasoline vapor recovery method]. Sahabutdinov, R.Z., Fattahov, R.B., Tronov V.P. 06.05.1996.
9. Patent SShA№4475928, mkl. V01D 53/14, Anker J. Jacobsen, Bjergbakkevej 45, DK-2600 Glostrup, Denmark, 1984.
10. Patent RU№2100689.MPK (mkl.) F17C 3/00 (1995.01). Sposob hraneniya zhidkih uglevodorodov [Liquid hydrocarbon storage method]. Budnikov, V.F., Basarygin, Ju.M, Zavertajlo, M.M. Zajavka: 95109542/25, 07.06.1995. Opubl. 27.12.1997.
11. Patent RF №2575887, MKI V 01 D 47/02. Ustrojstvo dlja ochistki gazov. [Gas cleaning device]. S. A. Koshkarev, V. N. Azarov, Opubl. 02. 2016.
12. Zhao Z. et al. Chemical engineering journal. 2015. V. 259. Pp.79-89.
13. Shen X. et al. Environment International. 2020. V. 143. 105774.
14. Drugov, Ju. S. Berezin, V. G. Gazohromatograficheskij analiz zagrjaznennogo vozduha [Gas chromatographic analysis of polluted air]. M.: Himija. 1981. 265p.
15. Mishina, L. A., Jur'ev, M. Ja. Metody himicheskogo, fiziko-mehanicheskogo i metrologicheskogo kontrolja [Methods of chemical, physical-mechanical and metrological control]. Leningrad: Nedra, 1998. 192 p.
16. Zazhigaev, L. O., Kish'jan, A. A., Romannikov, Ju. I. et al. Metody planirovanija I obrabotki rezul'tatov fizicheskogo jeksperimenta [Methods of planning and treatment results of physics' experiment]. Moskva: Atomizdat, 1978. 232 p.
17. Dzhonson, N. Statistika I planirovanie jeksperimenta v tehnikeinauke. Metody planirovanija jeksperimenta [Statistics in experiment's planning. Methods of experiment's planning]. M.: Mir, 1981. 520 p.
