CC BY
53
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Gallus, H.E. Recent Research Work on Tur-bomachinery Flow [Text] / H.E. Gallus; Yokohama International Gas Turbine Congress. — Yokohama, 1995.
2. Гамбургер, Д.М. Численное моделирование течения вязкого газа в центробежной компрессорной ступени: методика и результаты [Текст]: дис. ... канд. техн. наук / Д.М. Гамбургер. — СПб., 2009.
3. Галаев, С.А. Численное моделирование течения вязкого газа в решетках осевых турбо-машин: методика и результаты применения современных программных средств [Текст]: дис. ... канд. техн. наук / С.А. Галаев. — СПб., 2006.
4. Бунимович, А.И. Аэродинамические характеристики плоских компрессорных решеток при большой дозвуковой скорости [Текст] / А.И. Бунимович, А.А. Святогоров // Лопаточные машины и струйные аппараты [сб. ста-
тей]. — Вып. 2. — М.: Машиностроение, 1967. — С. 5-35.
5. ANSYS Inc., ANSYS CFX 11.0 «Users Manual» [Text]. — 2007.
6. Menter, F.R. Two-equation eddy-viscosity turbulence models for engineering applications [Text] / F.R. Menter // A1AA-Journal. 1994. — 32(8). — P. 1598-1605.
7. Галеркин, Ю.Б. Анализ течения в центробежных компрессорных ступенях методами вычислительной гидрогазодинамики [Текст] / Ю.Б. Галеркин, Д.М. Гамбургер, А.А. Епифанов; СПбГПУ. — Компрессорная техника и пневматика. — 2009. № 3.
8. Menter, F.R. CFX Technical Memorandum: CFX-VAL10/0602 [Text] / F.R. Menter. — 2002.
9. Турбокомпрессоры [Текст]: учеб. пособие / Ю.Б. Галеркин. — СПб.: Изд-во Поли-техн. ун-та, 2008.
УДК 53.06:09, 67.08
С. В. Анахов, Ю.А. Пыкин, А. В. Матушкин
ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИИ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОГО ПЛАЗМЕННОГО ОБЕЗВРЕЖИВАНИЯ НЕФТЕСОДЕРЖАЩИХ ОТХОДОВ
Хранение и утилизация нефтесодержащих отходов (НСО) сегодня переросли в настоящую экологическую проблему и являются очень дорогостоящими. Такие отходы представляют собой многокомпонентные устойчивые физико-химические системы, в которых соотношение нефтепродуктов и воды колеблется в очень широких пределах: углеводороды составляют 5—90 %, вода — 1—52 %. Плотность их изменяется в пределах 870—1700 кг/м3. Большое число жидкофазных нефтесодержащих сред относятся ко второму классу наиболее опасных отходов (масла, эмульсии, нефтешламы), образующих при низкотемпературном воздействии продукты опаснейших классов — галоидиро-ванные диоксины и диоксиноподобные вещества. По этой причине существующие методы утилизации и обезвреживания НСО зачастую экономически и экологически неэффективны,
поскольку полное обезвреживание достигается лишь термической обработкой, требующей дополнительных мер по обеспечению безопасности производства и выбросов в окружающую среду.
В предлагаемой статье представлена эффективная, экономичная и позволяющая организовать безотходный процесс обезвреживания углеводородных соединений технология, суть которой заключается в газификации и деструкции в низкотемпературной плазменной струе органосодержащей эмульсии. Применение плазменных технологий их переработки обеспечивает температурные режимы, приводящие к необратимому разрушению галоидированных диоксинов, но требует оптимизации технологий по параметрам энергоэффективности и безопасности. Конечным продуктом такой технологии являются экологически безопасные газовые
выбросы и технологически возвратные продукты в виде тепла и слабых кислотных растворов сернистых и хлористых компонент утилизируемого сырья.
Для обезвреживания жидкофазных НСО предлагается использовать оригинальную методику высокотемпературного пиролиза, когда отходы вводятся прямо в плазменную дугу. Плазмотрон (ПТ) — генератор низкотемпературной (от 2000 до 10000 К) плазмы — это основной элемент технологической схемы, представленной на рис. 1.
Система подготовки и подачи плазмооб-разующего газа (ПОГ — воздух) состоит из редуктора 1, в котором устанавливается определенное давление воздуха, нагнетаемого компрессором 3. По гибким шлангам воздух, пройдя через влагомаслоотделитель 2, поступает в плазмотрон 6.
Эффективное обезвреживание нефтесодер-жащих отходов требует предварительной подготовки, заключающейся в доведении их параметров (средняя плотность, теплоемкость, теплота парообразования, вязкость) до требуемых значений. Подготовка осуществляется посредством разбавления нефтепродуктов водой и образования устойчивой эмульсии, отвечающей требуемым характеристикам. Эмульгирование осуществляется методом барботажа. Барботер 11 через герметично закрывающуюся крышку наполняется водой и НСО. Барботер представ-
ляет собой расположенные по дну аппарата трубы с отверстиями, с помощью которых через слой обрабатываемой жидкости осуществляется барботаж газа с помощью компрессора 9, управляемого вентилем 10. Пузырьки газа увлекают за собой вверх по трубе жидкость, находящуюся в сосуде, которая затем опускается вниз в кольцевом пространстве между трубой и стенками аппарата, обеспечивая циркуляционное перемешивание жидкости. По истечении некоторого времени образуется достаточно устойчивая эмульсия, не расслаивающаяся в продолжение как минимум 2 мин (при обезвреживании нефтепродуктов в плазмохимиче-ском реакторе (ПХР) они должны находиться в эмульгированном состоянии менее 1 мин). При помощи регулирующего клапана 12 создается необходимое давление для подачи эмульсии в ПХР 7.
Процессы термической деструкции происходят в объеме ПХР (рис. 2), обеспечивающего одновременно и режим водоэмульсионного испарения жидкофазных отходов, поступающих в плазмотрон после необходимой стадии предварительной подготовки. Принцип работы реактора заключается в следующем: пары нефтешламов, подлежащие утилизации, подаются в змеевик, плотно прилегающий к внутренней поверхности реактора, обогреваемой нагревательными элементами. В нижней части змеевика происходят нагрев и испарение,
Рис. 1. Технологическая схема плазменного обезвреживания жидкофазных отходов
а в верхней — перегрев паров (чтобы избежать последующей конденсации). Перегретые пары направляются в плазмотрон в качестве плазмо-образующего газа, где происходит их разложение в одну стадию при температурах не менее 1500 °С, что, в свою очередь, исключает образование вредных, токсичных органических соединений (диоксинов и т. п.).
Особенность данного процесса состоит в том, что утилизация нефтяных отходов происходит в условиях неравновесной низкотемпературной плазмы факельного типа. При таком сжигании паров эмульсии интенсифицируется горение топлива. Это обеспечивается использованием кислорода и водорода, образующихся при частичной термической диссоциации воды в зоне горения и многократным дроблением органических микрокапель в результате тепловых микровзрывов, увеличивающих поверхность контакта органики с окислителем. В результате происходит более полное сгорание отходов, исключается химический и механический недожог. В целом это приводит к некоторому снижению коррозионных процессов, уменьшению отложений на поверхностях нагрева и повышению КПД реактора. Повышение эффективности деструкции и КПД процесса достигается также за счет применения оригинальной технологии рекуперативного тепломассообмена в системе «плазмотрон — реактор — система подготовки сырья для пироплазмы», когда образующийся нагретый газ после плазмотрона направляется внутрь плазмохимического реактора, где производит дополнительный нагрев
змеевика. Обезвреженные газы при температуре 70 °С через газоход удаляются в атмосферу.
Ввиду того что в процессе работы плазмотрона происходит образование факела с температурой 2000—5000 °С, требуется его непрерывное охлаждение не проводящей электричество дистиллированной водой. Насос 5 (рис. 1) подает воду из емкости 8 в охлаждающую рубашку плазмотрона. Затем эта вода поступает через радиатор 13, охлаждаемый вентилятором, обратно в емкость 8. Замкнутая система водяного охлаждения обеспечивает минимальный расход воды и возможность использования данной установки в не обеспеченных водой местах.
Оптимальные режимы работы установки и характеристики эмульсии были рассчитаны и эмпирически определены в ходе экспериментов. В качестве жидких органических отходов использовались трансформаторное масло, отработанное автомобильное масло, различные негорючие нефтешламы.
На первой стадии экспериментов было определено давление воздуха предварительного барботажа. Устанавливалось определенное давление воздуха, после чего барботаж 50 % эмульсии проводился в течение 1 мин. Затем визуально определялся момент расслоения и при помощи секундомера измерялось время расслоения с погрешностью до 30 с, обусловленной неравномерным расслоением эмульсии в объеме. Как видно из графика (рис. 3), при давлении воздуха выше 0,3 ат время расслоения эмульсии повышается незначительно, следовательно, для большей эффективности
Реактор Змеевик
Кирпичная футеровка
Плазмотрон Нефтепродукты
Очищенный
газ
Нагревательные элементы
Рис. 2. Плазмохимический реактор обезвреживания нефтесодержащих отходов
Рис. 3. Определение зависимости времени расслоения эмульсии от давления воздуха, подаваемого в барботер
нужно использовать воздух при давлении около 0,3 ат. При этом нефтешлам находится в эмульгированном состоянии не менее 6 мин. Этого времени достаточно для его обезвреживания.
Для определения оптимальной продолжительности предварительного барботажа использовалась 50%-я эмульсия при давлении воздуха 0,3 ат. Время замерялось с помощью секундомера. Оптимальная продолжительность предварительного барботажа составила 1—1,3 мин (рис. 4). При этом эмульсия не расслаивается 6—7 мин.
Для определения зависимости интенсивности парообразования от кратности разбавления нефтешлама и скорости его подачи в реактор, разогретый до 300 °С, при различных давлениях подавались разные эмульсии. При малых расходах эмульсии испарение происходило постоянно. При больших расходах замерялось время от момента начала парообразования до его прекращения вследствие остывания реактора. При дальнейшем увеличении скорости подачи эмульсии (V > 800 мл/мин) процесс испарения не происходит, так как продолжительность нагрева эмульсии недостаточна для ее испарения (табл. 1).
При остановке подачи эмульсии реактор нагревается до исходной температуры за 4 мин. Таким образом, можно рассчитать расход нефтешлама за смену (8 ч):
Оц- Ци(480-4А;)10_3,
где — расход нефтешлама за смену, л; О, — расход эмульсии, мл/мин; п — кратность раз-
0 0,3 0,7 1 1,3 1,6 2 2,3 2,7 Продолжительность барботажа, мин
Рис. 4. Определение оптимальной продолжительности предварительного барботажа
бавления; 480 = 8 • 60, мин в смену; 4 — время остановки, мин; к — количество остановок в смену, к = 480/(/ + 4); ? — время работы реактора до прекращения парообразования.
Из табл. 2 видно, что при малой скорости пропускания эмульсии (до 300 мл/мин) разбавление нефтешлама негативно влияет на эффективность обезвреживания, однако при больших расходах разбавление необходимо. Наибольшая эффективность достигается при концентрации нефтешлама 50 % и скорости подачи эмульсии 600 мл/мин. При таких параметрах можно обезвредить свыше 70 л нефте-шлама за одну смену.
Ввиду того что полной однородности эмульсии добиться невозможно, для определения ее объемной скорости вместо использования расходомеров лучше определять зависимость объемной скорости эмульсии от давления воздуха в барботере, при этом регулировать скорость
Таблица 1
Время парообразования
Скорость подачи Время парообразования, мин, при кратности разбавления нефтешлама
нефтешлама, мл/мин (нефтешлам / эмульсия)
1 0,75 0,66 0,5 0,33 0,25 0,1 0
100 Пост. Пост. Пост. Пост. Пост. Пост. Пост. Пост.
200 3 5 6 7 » » » »
300 2 3 4 8 » » » »
400 1 2 3 6 13 19 » »
500 0 1 2 4 9 13 18 21
600 0 0 1,5 4 7 9 10 10
700 0 0 0 2 4,5 6 10 10
800 0 0 0 0 0 3 4 4
Таблица 2
Производительность процесса обезвреживания нефтешлама
Скорость подачи нефтешлама, Производительность, л/смен, при кратности разбавления нефтешлама (нефтешлам/эмульсия)
мл/мин 1 0,75 0,66 0,5 0,33 0,25 0,1 0
100 48,00 36,00 31,68 24,00 15,84 12,00 4,80 0,00
200 41,14 40,00 38,02 30,55 31,68 24,00 9,60 0,00
300 48,00 46,29 47,52 48,00 47,52 36,00 14,40 0,00
400 38,40 48,00 54,31 57,60 48,45 39,65 19,20 0,00
500 0,00 36,00 52,80 60,00 54,83 45,88 19,64 0,00
600 0,00 0,00 51,84 72,00 60,48 49,85 20,57 0,00
700 0,00 0,00 0,00 56,00 58,70 50,40 24,00 0,00
800 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 41,14 19,20 0,00
подачи эмульсии можно по показаниям манометра.
Опыт необходимо проводить при нагретом реакторе, так как в противном случае полученные данные не будут соответствовать действительности (если пропускать эмульсию через змеевик, минуя стадию испарения, расход будет больше, чем с испарением). Это несоответствие обусловлено тем, что при нагретом реакторе дополнительное давление будут создавать пары в верхней части змеевика, продавливая эмульсию, находящуюся в нижней части, обратно в барботер. Чтобы определить объем эмульсии, прошедшей через змеевик, пары нефтепродуктов направлялись в холодильник Либиха. Там они конденсировались и поступали в мерный цилиндр.
Зная диаметр реактора, количество витков и внутренний диаметр змеевика, можно рассчитать время пребывания эмульсии в змеевике т = Ь/У, где длина змеевика Ь = кпБ, к — количество витков; Б — диаметр реактора; У — линейная скорость эмульсии, Уэ = 0э-1000/(60-6);
— расход эмульсии, мл/мин; 6 — площадь поперечного сечения змеевика, мм2.
Таблица 3 Определение объемной скорости эмульсии
Показатель Значение показателя
Давление, ат 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4
Расход эмульсии, мл/мин 0 120 220 350 450 600 800
Время, с 0 156 85 54 42 31 23
На основании полученных данных можно определить оптимальную кратность разбавления нефтешлама и выбрать режим работы установки. Наибольшая эффективность обезвреживания достигается при разбавлении НСО в 2 раза. При этом предварительный барботаж необходимо проводить при давлении 0,3 ат в течение 1—1,3 мин. Эмульсию нужно подавать в змеевик со скоростью 600 мл/мин под давлением 1,2 ат. При таких параметрах процесса эмульсия находится в реакторе в течение примерно 30 с, и можно будет обезвредить свыше 70 л НСО за смену.
Ввиду сложности процессов, происходящих в плазменной среде, точный расчет теплового баланса установки не представляется возможным. Кроме того, конструкция термического реактора, используемого в данной установке, не имеет аналогов, следовательно, для него не разработаны методики расчета. Однако на основании проведенных экспериментов можно оценить КПД термического реактора (по теплоте N , поглощаемой эмульсией в единицу времени, и суммарной мощности нагревательных элементов и плазмотрона Ин):
КПД = ^100 = 70%, N
-"н
свидетельствующий о высокой эффективности его работы.
Оптимизация параметров работы плазмо-химического реактора позволяет произвести расчеты и параметров функционирования вспомогательного оборудования. При определении
характеристик барботера рассчитывают необходимое давление и расход газа. Вычисления по известным методикам [1] позволяют произвести оценку необходимых параметров барбо-тажа. Расчеты дают значения средней плотности жидкости р=1000 кг/м3, давления р = 1,2 х х 105 Па и объемного расхода газа V = 0,5 м3/ч, необходимых для эффективного перемешивания нефтешламов в барботере.
Рассмотрев подробно отдельные элементы технологической цепи, обеспечивающей функционирование данной технологии, для описания взаимосвязи соответствующих процессов прибегнем к структурно-функциональному методу научных исследований [4]. В основе данного метода лежит представление технологической структуры как иерархической последовательности взаимосвязанных информационных устройств, что позволяет рассматривать их как эквивалентные в информационном смысле и оптимизировать, используя принципы кибернетического управления. Разделение материи на объекты воздействия (масса, энергия и информация) и средства воздействия — материально-энергетические комплексы — позволяет выделить процессы, обеспечивающие движение материи между средствами воздействия. Применительно к технологиям плазменной обработки материалов данная схема приобретает вид, представленный на рис. 5.
Обратим внимание на отдельные блоки этой схемы, рассмотрев их с точки зрения влияния
на выбор оптимального режима функционирования технологии в целом. В качестве объектов воздействия в любой низкотемпературной плазменной технологии выступают электроэнергия и вещество, поступающее в реакторы и плазмотрон в различных фазовых состояниях (плазмообразующий газ, охлаждающая вода, парогазовые смеси) и с разной, но ненулевой энергией (под давлением). На стабильность технологического режима может повлиять изменение сорта ПОГ, мощности и типа плазмотрона, размеров ПХР. Получение и передача материалов и энергии происходит по технологическим каналам от соответствующих систем, включенных в общую функциональную схему. Эти процессы требуют внимания к составу и параметрам утилизируемого и плазмообразу-ющего газов, контроля отходящих газов из ПХР, обеспечения мер защиты от шума и излучения, характерных для работы плазмотронов.
В реакторах осуществляются процессы обработки и взаимного превращения материалов и энергии. На данной стадии полезно рассмотреть условия энергетического баланса по известным методикам расчета КПД плазмогене-ратора и реакторов в целом. С точки зрения экологии и безопасности плазменных процессов полезно оценить не только термические потери, но и долю энергии, переходящей в энергию акустических колебаний и радиационного излучения, которые вызывают негативный эффект воздействия на рабочий персонал. Учет
Рис. 5. Функциональная схема установки по плазменной утилизации нефтесодержащих отходов
влияния на внешний объект в данной технологии подразумевает внимание к вопросам безопасности и экологическим аспектам функционирования — эффективности очистки и негативным факторам, сопутствующим плазмохими-ческим процессам. Устойчивая работа всей технологической схемы невозможна без соответствующего воздействия на ее отдельные элементы, обеспечивающего контроль и оптимизацию технологических и физических параметров процессов, а также исправность используемого оборудования. Такое воздействие должно осуществляться как в процессе работы (путем автоматизации систем управления и контроля, введения в систему элементов решающей обратной связи — регуляторов), так и на стадии предварительного теоретического анализа и проектирования технологии.
С учетом требований, следующих из проведенного анализа, можно заключить, что предлагаемая методика обезвреживания жидких отходов оптимизирована по параметрам технологии, она использует конструктивные авторские наработки в области безопасности применения плазменных технологий (оптимизирование по акустическим [3] и электроэнергетическим параметрам). Помимо использования систем подготовки плазмообразующего газа и охлаждения плазмотрона компоновка данной установки по обезвреживанию требует использования источника питания, обеспечивающего непрерывный (в процессе поступления паров эмульсии в плазмотрон) режим горения плазменной дуги. Оптимизация технологии производилась с применением оригинальных плазмотронов [4] (мощностью до 20 кВт) и источников питания (60 кВт), разработанных НПП «Полигон» (г. Екатеринбург). Установка по обезвреживанию может включать в себя также систему очистки и утилизации отходящих газов (циклон для удаления крупных фракций и мокрый скруббер для связывания токсичных выбросов в кислотном растворе), она снабжена датчиками, обеспечивающими контроль энергетиче-
ских (вольт-амперные характеристики — I, и, температура Т) и газодинамических (расход 0, компонентный состав в процентах) параметров процесса. Для поддержания значений температуры реактора от 230 до 300 °С и давления нефтепродуктов в трубопроводе от 1,2 до 1,3 атм при проектировании и эксплуатации данной установки было выбрано и установлено оборудование для автоматического регулирования этих параметров. Предложенная технологическая схема обеспечивает соответствующий экологическим требованиям физико-химический состав продуктов обезвреживания. При необходимости многостадийной плазменной деструкции возможно применение плазмотронов на стадии дожигания отходящих газов. Эффективность данного метода обезвреживания подтверждают и оценки себестоимости обезвреженного продукта, составляющие 5—6 руб./кг отходов при доле энергетических затрат около 30 % в общей доле расходов.
По сравнению с другими известными методами переработки жидкофазных нефтяных отходов метод плазменного обезвреживания обладает рядом существенных преимуществ, к которым можно отнести: малые габариты и компактность установок; высокую удельную производительность; относительно низкие затраты электроэнергии; возможность утилизации выделяющегося тепла; низкое содержание вредных веществ в отходящих газах; отсутствие отходов, требующих складирования или специального захоронения; замкнутость системы водяного охлаждения, обеспечивающая возможность использования данной установки в не обеспеченных водой местах.
Реализация данного метода плазменного обезвреживания жидкофазных нефтесодержа-щих отходов будет способствовать решению целого комплекса проблем, стоящих перед химическими, нефтеперерабатывающими и нефтедобывающими отраслями промышленности и вовлеченным в эти отрасли населением близлежащих городов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Касаткин, А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии [Текст] / А.Г. Касаткин. — М.: Химия, 1971. — 784 с.
2. Журавлев, В.Ф. Структурно-функциональный метод изучения технических объектов и исследований [Текст] / В.Ф. Журавлев, В.Я. Шевченко. — Екатеринбург: Изд-во РГППУ, 2007. — 90 с.
3. Анахов, С.В. Сравнительный анализ газодинамических факторов шумоизлучения плазмотронов [Текст] / С.В. Анахов, Ю.А. Пыкин // Сварочное производство. — 2005. — № 1. — С. 31-36.
4. Пат. 67909 Российская Федерация. Полезная модель «Плазмотрон» [Текст] / Пыкин Ю.А., Анахов С.В., Шакуров С.А., Тетюков А.Г.; заявл. 22.05.07.
УДК 621,438,082
Л.А. Данилец
МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОЛНОТЫ СГОРАНИЯ ГАЗООБРАЗНОГО ТОПЛИВА В ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВКАХ МЕТОДОМ АНАЛИЗА ПРОБЫ
Полнота сгорания — одна из важнейших характеристик камеры сгорания в газотурбинных установках, во-первых, из-за связанных с ней непроизводственных потерь тепла, а во-вторых, из-за вредных выбросов в атмосферу, особенно N0 . В связи с этим в номинальном режиме работы требуется обеспечить полноту сгорания топлива не ниже 0,999. Для газотурбинных установок, использующих в качестве топлива газ, в номинальном режиме работы величина полноты сгорания топлива близка к единице, что увеличивает требования к точности ее определения.
Существуют различные подходы к определению полноты сгорания топлива: анализ проб, отобранных из тракта за камерой сгорания; оптические методы; газодинамический метод и др. Целесообразность применения той или иной методики обусловлена сферой ее применения. Например, для высокоэнтальпийных установок кратковременного режима оптимальным и, возможно, единственным является газодинамический метод [1].
В статье описана методика определения полноты сгорания газообразного топлива в газотурбинных установках, основанная на анализе
проб; она не требует установки дополнительного оборудования (анализ пробы на предмет установления экологической безопасности в настоящее время обязателен для газотурбинных установок), обеспечивая при этом высокую точность и надежность результатов.
Общие сведения
Полнота сгорания газообразного топлива характеризует тепловую эффективность горения и определяется как отношение тепла, выделившегося при сгорании 1кг газа 0, к его низшей теплоте сгорания
Оп '
лг =
(1)
Неполное использование тепла топлива связано с недожогом и эндотермической реакцией образования оксидов азота N0^ [2].
Разделяют два вида недожога: механический и химический.
Механический недожог — это выбросы не-сгоревших углеводородов. Он связан с областями пониженной температуры, через которые топливный газ проходит не сгорая. В камерах
