CC BY
4
Шурдова А.Е.
Shurdova A.Ye.
Шурдова Анастасия Евгеньевна
nastya. shurdova@mail.ru Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева Институт химических и нефтегазовых технологий, 3 курс Научный руководитель - к.т.н., доцент Ушакова Е.С.
МАГНИТНЫЙ УГЛЕРОДНЫЙ СОРБЕНТ ДЛЯ ЛИКВИДАЦИИ
АВАРИЙНЫХ РАЗЛИВОВ НЕФТИ И НЕФТЕПРОДУКТОВ НА
ВОДОЕМАХ
Shurdova Anastasiya Yevgenyevna
nastya. shurdova@mail.ru Gorbachev Kuzbass State Technical University Institute of Chemical, Oil and Gas Technologies, 3d year undergraduate student Scientific advisor - Ushakova E.S., PhD (Technical Sc.), Associate Professor
MAGNETIC CARBON SORBENT FOR OIL AND OIL PRODUCTS
SPILL RESPONSEAND ON WATER BODIES
Аннотация: Целью работы является получение магнитных углеродных сорбентов и изучение влияния параметров газификации на эффективность процесса и выход летучих продуктов переработки. Получение сорбента состоит из пяти этапов: анаэробное сбраживание избыточно активного ила, смешение подготовленных компонентов, грануляция полученной смеси, сушка и сортировка готовых гранул, а также пиролиз. В результате получаются гранулы черного цвета, обладающие явными сорбционными и магнитными свойствами. После полного использования сорбционной емкости, сорбенты отправляются на термическую переработку методом газификации. В итоге добавление магнетита в состав сорбирующего материала способствует более эффективному управлению процессом сорбции нефти с водной поверхности, а использование парокислородного дутья позволяет извлечь практически чистую энергию в виде газообразных продуктов.
Ключевые слова: нефтесорбенты, сорбенты, магнетит, нефть, нефтепродукты, избыточный активный ил, анаэробное сбраживание, пиролиз, газификация.
Abstract: The aim of the article is to study the process of magnetic carbon sorbents production and to investigate the influence of gasification parameters on the process efficiency and yield of volatile refined products. Sorbent production consists of five stages: anaerobic digestion of excessive
activated sludge, mixing of the prepared components, granulation of the resulting mixture, drying and sorting of the finished granules, and pyrolysis. The result is black-colored granules with obvious sorption and magnetic properties. After full utilization of the sorption capacity, the sorbents are sent for thermal processing by gasification. As a result, the addition of magnetite to the sorbent material contributes to a more efficient control of the oil sorption process from the water surface, and the use of steam-oxygen blowing allows extracting almost clean energy in the form of gaseous products.
Keywords: oil sorbents, sorbents, magnetite, oil, oil products, excess activated sludge, anaerobic digestion, pyrolysis, gasification.
Проблема загрязнения водной поверхности нефтепродуктами часто освещается как в научной литературе, так и в СМИ, а для ее решения требуется огромное количество времени, сил и средств. Уже сегодня многие крупные предприятия и производства, связанные с нефтедобычей и переработкой нефтепродуктов, модернизируют технологические процессы и совершенствуют оборудование для предотвращения аварийных разливов. Однако, согласно государственным докладам Министерства природных ресурсов и экологии Российской Федерации о состоянии и об охране окружающей среды, ежегодно только в России происходит около 15 тысяч разливов на промысловых нефтепроводах [1]. А сколько таких разливов происходит во всем мире? Поэтому уже сегодня необходимо разрабатывать эффективные способы ликвидации разливов.
Самым быстрым, безопасным и экологичным методом ликвидации разливов на сегодняшний день является сорбционная очистка. На кафедре химической технологии твердого топлива КузГТУ были разработаны углеродные сорбенты, содержащие в своем составе магнетит, что придает сорбентам дополнительные магнитные свойства и позволяет управлять процессом ликвидации разлива.
Для получения такого сорбента необходимо реализовать все производственные стадии, которые представлены на рисунке 1 :
Рис. 1. Функциональная схема получения магнитного углеродного нефтесорбента
Первым этапом реализуется анаэробное сбраживание избыточного активного ила, который используется в качестве сырья. Для поддержания
32
№4.1
нужной влажности, он смешивается с водой, а далее смесь загружается в реактор-метантенк (см. Рис. 2).
Рис. 2. Биогазовая установка для получения образцов остатка анаэробного сбраживания: 1 - реактор-метантенк; 2 - датчик температуры материала внутри аппарата; 3 - датчик давления внутри аппарата; 4 - система регулировки температуры инфракрасной пленки; 5 - теплоизоляция; 6 - штуцер отвода биогаза; 7 - штуцер для отбора проб остатка анаэробного сбраживания; 8 - счетчик биогаза; 9 - газовая
горелка.
В течение 20 суток при температуре 37оС активный ил сбраживается в условиях полного отсутствия кислорода. В результате сложные органические вещества за счет самоокисления распадаются на простые вещества - метан и углекислый газ, а остаток от сбраживания - биомасса -служит связующим веществом в дальнейшем технологическом процессе получения сорбентов.
Вторым этапом реализуется смешение компонентов в определенных экспериментальным путем соотношениях. Основным компонентом являются древесные опилки - отходы деревообрабатывающих предприятий, их необходимо 75 % от массы всей смеси. Затем в смесь добавляется связующее вещество (биомасса, полученная от анаэробного сбраживания избыточно активного ила) в количестве 21 % от массы смеси. А для того, чтобы придать сорбентам магнитные свойства, добавляется магнетит - 4 % от массы смеси.
Третьим этапом осуществляется грануляция (получение готовых формованных гранул сорбента) в грануляторах барабанного или тарельчатого типа. В результате соударения частиц в смеси, гранулы
приобретают округлую форму и на выходе получаются формованные гранулы (см. Рис. 3).
Рис. 3. Формованные магнитные гранулы
Четвертым этапом является сушка и сортировка гранул. Сушка происходит в инфракрасном шкафу при температуре 40-60°С. Затем гранулы отсортировывают и отбирают фракцию размером от 5 до 10 мм.
В рамках пятого этапа происходит пиролиз полученных гранул. Процесс пиролиза происходит в реакторе-пиролизере при температуре 600 °С в течение 20-30 минут. При этом выделяется газ и смолистые жидкости. Затем готовые гранулы охлаждают, анализируют и подвергают исследованиям на различные показатели.
Полученные сорбенты имеют большую величину нефтеемкости -примерно 6 г/г и высокий показатель плавучести - больше 480 часов. Однако после сбора разливов возникает проблема утилизации отработанных сорбентов. Уже сегодня известно большое количество методов переработки углеродсодержащих веществ, но наиболее экологичным видом переработки является технология газификации. Она перспективна, так как в процессе практически не выделяется вредных загрязняющих веществ.
Газификация представляет собой физико-химический процесс переработки углеродного составляющего сырья, в результате которого энергетические составляющие вещества переходят в газообразное состояние [2; 3]. В химический состав такого газа входят горючие (Н2, СН4, 02) и инертные (СО, Ы2) составляющие. Полученный газ может применяться для дальнейшего сжигания в камере сгорания, служить сырьем для получения аммиака, водорода, метанола и других химических продуктов [4].
34
№4.1
Изменяя условия проведения процесса, из отработанных сорбентов можно получить продукты с разным химическим составом и различными физическими свойствами [5; 6]. На рисунке 4 представлена классификация методов газификации от способа воздействия на углеродное сырье.
Рис. 4. Классификация методов газификации
При выборе метода газификации стоит обращать внимание на параметры, от которых непосредственно и будет зависеть эффективность всего процесса. Поэтому наиболее предпочтительно выбирать комбинированную газификацию (смесью пара и кислорода в соотношении 12/88 соответственно), так как синтез-газ, который получается этим методом, обладает большей теплотой сгорания [5].
На процесс газификации влияют множество факторов, такие как:
1. скорость дутьевого потока;
2. соотношение кислорода и пара;
3. температура дутьевого потока;
4. температура газификации;
5. скорость нагрева;
6. размер гранул;
7. объем реактора.
Таким образом, магнитные сорбенты не только осуществляют ликвидацию аварийных разливов нефти на водных поверхностях, но и могу быть использованы в качестве сырья для переработки. Применение
парокислородной газификации позволяет достичь полного превращения углеродной составляющей в газообразные источники чистой энергии.
Литература
1. Государственный доклад о состоянии и об охране окружающей среды Российской Федерации в 2021 году. - URL: https://www.mnr.gov.ru (дата обращения 09.11.2023).
2. Мунц, В. А. Горение и газификация органических топлив / В. А. Мунц, Е. Ю. Павлюк; науч. ред. А. М. Дубинин. - Екатеринбург: Издательство Уральского университета, 2019. - 148 с.
3. Тимербаев, Н. Ф. Газификация органических видов топлива / Н. Ф. Тимербаев, Р. Г. Сафин, А. Р. Хисамеева // Вестник Казанского технологического университета. - 2021. - №6. - С. 326-329.
4. Гремячкин, В. М. Газификация пористых частиц углерода / В.М. Гремячкин // Вестник Нижегородского университета им. Н. И. Лобачевского. - 2021. - № 4 (3). - С. 733-734.
5. Сафин, Р. Г. Влияние параметров процесса газификации углеродного сырья под давлением на состав синтез газа / Р. Г. Сафин, А. Р. Садртдинов, В. А. Салдаев // Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика. - 2018. - №3. - С. 417-420.
6. Салганский, Е. А. Моделирование газификации твердого топлива в фильтрационном режиме: дис. канд. ф.- м. наук. - Черноголовка, 2004. - 94 с.
36
№4.1
