CC BY
15УДК 665.6 Е.В. Черкасов1, Ю.А. Пименов2, А.С. Мазур3,
Н.Л. Ефимова4, В.Б. Улыбин5, Т.В. Украинцева6
Введение
В настоящее время все большее внедрение в промышленность получают малоотходные и безотходные производства, позволяющие свести к минимуму загрязнение окружающей среды. Внедрение таких технологий является актуальной задачей для нефтеперерабатывающей промышленности, как источника огромного количества вредных выбросов.
Самым значительным по массе отходом нефтяной промышленности являются нефтешламы (НШ).
НШ представляют собой сложные физикохимические смеси углеводородов, воды и механических примесей.
Наибольший интерес представляют жидкие нефтяные шламы с низким содержанием механических примесей. Такие НШ можно рассматривать как сырье для приготовления котельного топлива.
При открытом способе хранения НШ обычно сильно обводняются за счет атмосферных осадков. Использование обводненного топлива в котлах может привести к срыву факела из-за наличия линзовых включений воды.
Удаление воды из НШ - неэффективный и энергозатратный процесс. Отстаивание малоэффективно из-за малой разницы плотностей углеводородной части НШ и воды, часть которой находится в виде стабильной эмульсии. Выпаривание же требует значительных энергозатрат, что сделает себестоимость конечного продукта слишком высокой.
ПОЛУЧЕНИЕ УСТОЙЧИВЫХ
ВОДОТОПЛИВНЫХ
ЭМУЛЬСИЙ НА ОСНОВЕ
НЕФТЕШЛАМОВ
С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ
ВИБРОКАВИТАЦИОННОЙ
ТЕХНОЛОГИИ
Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет) 190013, Санкт-Петербург, Московский пр., д. 26
Проведены исследования структуры и физико-химических параметров нефтешламов, позволяющие судить об их пригодности в качестве сырья для приготовления устойчивых водотопливных эмульсий, которые в дальнейшем могут быть использованы в качестве экологичного котельного топлива. Для приготовления эмульсий предложено использовать виброкавитационную технологию, позволяющую быстро и эффективно получать водотопливные эмульсии с оптимальными эксплуатационными и экологическими параметрами.
Ключевые слова: нефтешлам, переработка, влажность, температура вспышки, расслоение, диспергирование, виброкавитационная технология, водотопливная эмульсия.
Согласно одной из теорий [1], при переводе воды в мелкодисперсное (диаметр капель ~ 5-10'6 м) состояние с равномерным распределением по объему, т. е. создание водотопливной эмульсии, вода играет роль катализатора горения за счет так называемого явления микровзрыва топливной капли, т. е. дополнительного диспергирования капли водотопливной эмульсии за счет парообразования.
Использование водотопливных эмульсий позволяет улучшить экологические характеристики по сравнению с использованием неэмульгированного топлива. В результате дополнительного измельчения капель после прохождения форсунки температура в камере сгорания выравнивается по объему, что, в свою очередь, снижает образование оксидов азота, возникающих в местах локальных максимумов температур. Также, снижается образование сажи и угарного газа за счет увеличения удельной реакционной поверхности капель топлива и интенсификации окислительных процессов [2, 3].
Анализ имеющегося опыта применения виброка-витационной технологии [4] показывает, что с её применением возможно создание устойчивых водотопливных эмульсий на основе НШ. Основной рабочий элемент виброкавитационного гомогенизатора представлен на рисунке 1.
1 Черкасов Евгений Валерьевич, аспирант каф. химической энергетики, e-mail: eu.cherkasov@gmail.com
2 Пименов Юрий Александрович, канд. техн. наук, ст. науч. сотр. каф. химической энергетики, e-mail: ypimenov@rambler.ru
3 Мазур Андрей Семенович, д-р техн. наук, профессор, заведующий каф. химической энергетики, e-mail: mazuras@mail.ru
4 Ефимова Наталья Леонидовна, кандидат технических наук, инженер каф. химической энергетики, e-mail: ypimenov@rambler.ru
5 Улыбин Вячеслав Борисович, д-р техн. наук, профессор, каф. химической энергетики, e-mail: eu.cherkasov@gmail.com
6 Украинцева Татьяна Васильевна, канд. техн. наук, доцент каф. химической энергетики, e-mail: t.ukraintseva@mail.ru
Дата поступления - 16 января 2013 года
Рисунок 1. Рабочий элемент виброкавитационного гомогенизатора
Рабочие элементы таких устройств представляют собой два или более комплекта полых коаксиальных цилиндров с перфорациями различной формы. При вращении одного набора цилиндров относительно другого или вращении обоих наборов в противоположных направлениях происходит возникновение пульсирующего с большой частотой жидкостного потока.
В результате многофакторного воздействия перемешивания, вибрации и кавитации происходит эффективное дробление капель воды и получение стабильных водотопливных эмульсий с размером капель ~ 5-10'6 м и равномерным их распределением по объему композиции. При этом, как правило, для получения устойчивых водотопливных эмульсий не требуется дополнительного введения поверхностно-активных веществ (ПАВ), т. к. в углеводородной части НШ содержится достаточное количество природных ПАВ.
Экспериментальная часть
С целью подтверждения возможности использования водотопливных эмульсий на основе НШ, были проведены исследования, направленные на изучение свойств НШ. Для экспериментов был выбран НШ из шламонакопи-теля Киришского НПЗ.
Первой задачей была оценка количества и нахождение способа отделения механических примесей. На данном этапе исследований эта операция осуществлялась с помощью грубого фильтра с размером ячеек 1,5х1,5 мм. В результате фильтрования отделилось 5-8 % мас. механических примесей.
При осмотре образцов НШ были обнаружены свободные, линзовые включения воды. При проведении микроскопического анализа структуры НШ было выявлено, что д-5иаметр эмульгированных капель составляет более 5-10 м, отмечена неравномерность распределения воды по объему. Микрофотография структуры НШ представлена на рисунке 2. На микрофотографии можно заметить, что капли воды сильно различаются по размерам и неравномерно распределены по объему смеси.
Рисунок 2. Микрофотография структуры необработанного НШ. Цена деления прибора - 1-1СГ5 м
Определение влагосодержания проводилось путем нагревания навесок НШ в открытой емкости, установленной в песочной бане при температуре 100-105°С. Нагревание производилось до постоянной массы. В результате показано, что для НШ из различных шламонако-пителей содержание воды составило до 40 % мас.
Далее производилось определение температуры вспышки - одного из самых важных параметров топлива. Температура вспышки является одновременно теплофизической характеристикой и параметром, по которому производится классификация помещений, где обращается горючее вещество, по степени пожароопасности.
Для испытаний в соответствии с ГОСТ 4333-87 [5] использовались обезвоженные образцы НШ. В качестве критерия оценки пожароопасности бралась температура вспышки в открытом тигле. Наименьшее её значение составило 158°С, что соответствует требованиям, предъявляемым на мазут М100, часто применяемый в качестве котельного топлива [6].
Для приготовления эмульсии использовалась лабораторная виброкавитационная установка периодического действия ВКГ-60 [7], являющаяся роторным аппаратом погружного типа.
В процессе проведенных опытов нами было выявлено, что оптимальная частота вращения ротора - 5000 об/мин оптимальное время обработки - 2 мин.
После обработки в испытываемой эмульсии полностью отсутствовали линзовые включения воды. Как показал микроскопический анализ, после обработки на ВКГ-60 структура водотопливной эмульсии становится более упорядоченной: выравнивается размер капель (максимальный диаметр - 5-10-6 м), вода равномерно распределена по объему эмульсии, что можно видеть на микрофотографии структуры водотопливной эмульсии (рисунок 3).
Рисунок 3. Структура водо топливной эмульсии на основе НШ, обработанного на ВКГ-60. Цена деления прибора - 1-Ю5 м
Дальнейшие испытания были связаны с определением устойчивости полученных образцов водотопливных эмульсий. С этой целью образцы обработанных эмульсий хранились при комнатной температуре. После трех месяцев хранения визуальных признаков расслоения не обнаружилось, наблюдения под микроско-п5ом показали, что размер капель воды не превышает 1-10'5 м, т. е. произошло увеличение размера капель до 2 раз.
Выводы
1. Показана принципиальная возможность и целесообразность создания на основе исследуемых нефтешламов водотопливных эмульсий, которые могут в дальнейшем использоваться в качестве экологичного котельного топлива.
2. Исследованы некоторые физико-химические свойства (влагосодержание, температура вспышки и воспламенения в открытом тигле) НШ из шламонакопителя Киришского НПЗ. Исследованные нефтешламы могут использоваться для получения стабильных водотопливных эмульсий.
3. Определена устойчивость полученных водотопливных эмульсий в условиях длительного хранения. Показано, что эмульсии на основе нефтешламов после трех месяцев хранения стабильны, признаков расслоения не обнаружено, капли воды равномерно распределены по объему эмульсии, и-5 имеют максимальный размер капель воды не более Г10'5 м.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации по ФЦП "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы" (государственный контракт № 16.525.11.5009).
Литература
1. Иванов В.М., Канторович Б.В. Топливные эмульсии и суспензии. М.: Металлургиздат, 1963. 288 с.
2. Ложкин В.Н, Гавкалюк Б.В., Пименов Ю.А. [и др.]. Водно-эмульсионные топлива для дизельных двигателей гражданского и специального назначения // Виртуальный межотраслевой научно-производственный и производственный журнал Международной академии прикладных исследований Горюче-смазочные материалы. Теория и практика получения и применения. 2006. № 8. http://www.apris.ru
3. Ложкин В.Н, Пименов Ю.А, Сафиуллин Р.Н, [и др.]. Улучшение экологических показателей автомобильных дизелей путем применения водотопливных эмульсий. // Информационный бюллетень Вопросы охраны атмосферы от загрязнения, НПК «Атмосфера при ГГО им. Воейкова. 2005. № 2 (32). С. 67-76.
4. Промтов М.А. Пульсационные аппараты роторного типа. Теория и практика. М.: Машиностроение-1, 2001. 247 с.
5. ГОСТ 4333-87. «Нефтепродукты. Методы определения температуры вспышки и воспламенения в открытом тигле. Введ. с 01.07.2008. М.: Изд-во стандартов. 1987. 6 с. (Межгосударственный стандарт).
6. ГОСТ 10585-99. Топливо нефтяное. Мазут. Введ. с 01.01.2001. М.: Изд-во стандартов. 1999. 7 с. (Межгосударственный стандарт).
7. Пименов Ю.А. Виброкавитационный смеситель-гомогенизатор: пат.- 2131761 Рос. Федерация; рег. № 98105553/25; заявл. 25.03.1998; опубл. 20.06.1999.
