CC BY
30
УДК 665.642.2 + 662.8.05
С. В. Свергузова, В. С. Севостьянов, И. Г. Шайхиев
ВЛИЯНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА ПРОЦЕСС ФОРМОВАНИЯ НЕФТЕСОДЕРЖАЩИХ БРИКЕТОВ
Ключевые слова: нефтешламы, утилизация, топливные брикеты, влияние технологических факторов.
Исследовано влияние различных технологических факторов на свойства формируемых топливных брикетов. Установлено, что наиболее значимыми параметрами для получения прочных брикетов являются давление прессования, размер древесных опилок, доля связующего (нефтешлама) и температура прессования.
Key words: sludge, waste, fuel briquettes, the impact of technological factors.
The influence of different technological factors on the properties of the formed briquettes. It was found that the most significant parameters for solid briquettes are pressing pressure, the size of sawdust, the proportion of binder (sludge) and pressing temperature.
Предприятия, связанные с нефтегазодобычей и переработкой нефтегазового сырья вынуждены накапливать и хранить на своей территории нефтешламы из-за недостаточного количества полигонов промышленных отходов, их принимающих или из-за отсутствия установок по переработке нефтесодержащих отходов, соответственно, оплачивая их хранение. Накопление нефтеотходов на производственных территориях может привести к интенсивному загрязнению почвы, воздуха и грунтовых вод [1]. Нередко нефтесодержащие отходы уничтожаются на промплощадках путем сжигания, что является нарушением природоохранного законодательства [2].
Большую проблему в плане утилизации нефтешламов представляют асфальто-смоло-парафиновые отложения (АСПО), которые представляют собой сложную смесь высокомолекулярных органических соединений с неорганическими включениями [2, 3].
Нами для утилизации нефтешламов предложено изготавливать топливные брикеты путем смешивания нагретых АСПО с древесными опилками и формованием их с помощью вальцового пресса.
В экспериментах использовались АСПО для получения сформованных тел (брикетов) с заданными физико-механическим (плотностью, прочностью), теплотехническими (калорийностью) характеристиками, а также необходимыми геометрическими параметрами и формой нужен комплексный подход в решении поставленных задач.
На первом этапе необходимо было установить перечень технологических параметров, наиболее существенно влияющих на выходные физико-механические характеристики полученных брикетов, механическую прочность и плотность спрессованных тел в свежесформованном и охлажденном состоянии.
На втором этапе следовало изучить совокупное влияние варьируемых параметров в исследуемом диапазоне варьирования факторов на выходные характеристики спрессованных брикетов, установить рациональные условия формования
топливосодержащих отходов при заданных выходных характеристиках спрессованных композиций.
На третьем и четвертом этапах, соответственно, необходимо было определить наиболее рациональную геометрическую форму брикетов, обеспечивающую их наибольшие прочностные характеристики (сопротивление сжатию, ударным нагрузкам, истираемости, значения плотности и др.) при непрерывном формовании шихты в вальцевом прессе, а также наилучшие теплотехнические условия при сгорании топливосодержащих тел. Необходимо определить также рациональные размеры сформованных брикетов в вальцевом прессе (условия предподготовки шихты, ее предварительного уплотнения, частоту вращения валков, зазор между ними и другие параметры).
В связи с вышеуказанным, на первом этапе исследований изучалось влияние на прочность и плотность спрессованных брикетов таких технологических параметров как давление и скорость прессования, условия формования (одностороннее или двухстороннее прессование, выдержка шихты под давлением), содержание связующего - нефтешлама и наполнителя - опилок, средний размер частиц последних, температурные условия формования шихты и др.
Проведенные экспериментальные поисковые исследования показали, что для обеспечения наибольших значений прочности и плотности спрессованных топливосодержащих отходов (нефтешламовое связующее (НШС) + наполнитель, при различном их процентном соотношении), давление прессования не должно превышать 25-30 МПа. При значениях давления больше названных величин и незначительном содержании НШС (до 1015 %) наблюдается значительная упругая деформация прессуемых частиц после снятия напряжений, что приводит к расслоению спрессованных композиций. При больших содержаниях НШС (более 20-25 %) и давлениях прессования Р > 25-35 МПа, в силу несжимаемости жидкой фазы связующего, наблюдается выдавливание НСШ из пресс-матрицы, что не способствует созданию благоприятных условий для формования шихты.
Повышенные скоростные параметры формования шихты (и > 5-10-4 м/с) не обеспечивают необходимые условия для удаления газообразной фазы при уплотнении частиц и их тесному контакту, обеспечивающему прочность спрессованных тел.
Использование двухстороннего прессования шихты обеспечивает более равномерное распределение плотности по высоте брикетов. Наибольшая плотность наблюдается со стороны прессующих пуансонов. При одностороннем прессовании шихты для равномерного распределения плотности по высоте спрессованных тел отношение их высоты к диаметру D должно составлять Н/D ~ 1.
В силу несжимаемости жидкой фазы связующего при максимальном давлении прессования (Р = 25-30 МПа), а также пластической деформации шихты при ее формовании, значительной упругой деформации спрессованных брикетов после снятия напряжений не наблюдалось.
Процентное соотношение компонентов шихты: «НШС - наполнитель» определяется, в первую очередь, технологическими требованиями со стороны потребителя - необходимостью утилизации нефтешламовых отходов или отходов деревообрабатывающего производства, а также самими условиями их утилизации: сжигание, выработка тепловой или электрической энергии, получение теплоизоляционных заполнителей, использование в качестве добавок при производстве асфальтомастичных покрытий и др.
Целевое назначение спрессованных брикетов во многом определяет процентное соотношение компонентов формируемой шихты.
Предварительные экспериментальные
исследования показали возможность введения в прессуемую шихту до 40-45 % АСПО.
Учитывая, что используемый наполнитель -опилки, могут являться отходами различных деревообрабатывающих производств, то диапазон варьирования среднего размера частиц опилок целесообразно обеспечивать в пределах d ~ (0,2-2,5)-10-3 м.
Проведенный нами анализ физико-химических свойств используемых нефтешламовых отходов показал их вещественный состав и физическое состояние. Температура плавления НШС колеблется в широком диапазоне Т = 35-70 оС, что предопределяет необходимость изучения указанного фактора, как на условия смешения шихты, так и на условия ее формования.
Установлено, что к числу наиболее существенных параметров, влияющих на прочность и плотность спрессованных брикетов, относятся: давление прессования - Р, Мпа; средний размер наполнителя (опилок) - d, мм; процентное содержание - Ссв, % и температура - Т, оС нефтешламового связующего.
Результаты изучения влияния вышеуказанных технологических факторов на процесс формования топливосодержащих отходов представлены на рисунке 1.
Анализ графических зависимостей показывает, что при Ссв = 28 %, а = 1,2 -10"3 м, Т = 46 оС (рис. 1а) при изменении давления прессования с Р = 5 МПа до Р = 20 МПа наблюдается возрастание прочности брикетов с осж = 0,6 МПа до осж = 0,8 МПа, т.е. примерно на 33 %. При дальнейшем увеличении давления прессования до Р = 25 МПа существенных изменений осж не происходит. Рост прочности брикетов с увеличением давления прессования обусловлен повышением площади контакта прессуемых частиц наполнителя, и, следовательно, сил сцепления между ними.
а) о, МПа
I I
Р, МПа
б) о, МПа
d, мм
в) о, МПа
Ссв, %
г) о, МПа
1 1 1 1
1 1 1 1 --------1--------1--------
—-— Т Т { 1 1
1 1 1 1
Т, оС
Рис. 1 - Зависимость прочности спрессованных брикетов от: а - давления прессования при Ссв = 28 %, а = 1,2 • 10-3 м, Т = 46 оС; б - диаметра частиц наполнителя при Ссв = 28 %, Р = 15 МПа м, Т = 46 оС; в - содержания связующего при Р = 15 МПа, а = 1,2 • 10-3 м, Т = 46 оС; г -температуры нагрева при Ссв = 28 %, а = 1,2 • 10-3 м, Р = 15 МПа
Повышение
среднего
размера
частиц
наполнителя с а = 0,2-10-3 м до а = 0,2-10-3 м (рис. 1б) при Р = 15 МПа, Ссв = 28 %, Т = 46 оС приводит к снижению прочности спрессованных тел с осж = 1 МПа (при а = 2,2-10"3 м) до Осж = 0,6 МПа (при а = 2,2-10"3 м), т.е. примерно на 40 %, что является существенным.
0,8
0,6
0,4
0,8
J,6
0,4
1,2
0,4
1,2
0,6
0,4
22
46
58
70
Указанный фактор обусловлен уменьшением площади контакта прессуемых частиц наполнителя (соответственно, при увеличении размера частиц) с НШС, и, следовательно, механического сцепления между ними.
Поэтому, с учетом технологических требований потребителя к спрессованной продукции (условий внутренней и внешней транспортировки брикетов: наличия ударных нагрузок, количества перегрузок, возможного наличия просыпи при сжигании отходов и т.д.) фактор - размер прессуемых частиц наполнителя оказывает существенное влияние на качество спрессованных брикетов.
При изменении содержания связующего в прессуемой шихте роль последнего не однозначна (рис. 1в). При Р = 15 МПа, а = 1,2 -10-3 м, Т = 46 оС с увеличение содержания связующего с Ссв ~ 7 % до Ссв ~ 20 %, значения прочности брикетов существенно не изменяются, ссж = 0,75 МПа. Данное обстоятельство обусловлено отсутствием должного покрытия поверхности частиц наполнителя связующим, что не обеспечивало, соответственно, достаточных сил сцепления между ними.
При повышении содержания связующего с Ссв ~ 20 % до Ссв ~ 42 % наблюдается рост значений ссж с 0,75 МПа до 1,15 МПа, соответственно. Указанное явление обусловлено устранением вышеуказанного недостатка и обеспечением наиболее благоприятных условий формования брикетов при необходимой площади покрытия поверхности частиц наполнителя связующим.
Повышение прочности брикетов при содержании в них НШС от 20 до 42 % объясняется образованием клеевой пленки на поверхности опилок оптимальной толщины, за счет адгезионного взаимодействия частиц и их прилипания. Дальнейшее снижение прочности брикетов, по мере увеличения в них массовой доли связующего, по-видимому, объясняется увеличением толщины клеевой пленки сверх 10 мкм, что приводит к уменьшению вязкости, прочности и плотности адсорбционного слоя по мере удаления от твердой поверхности опилок.
Рассмотрение коллоидно-химических свойств АСПО показало, что отложения представляют собой сложную дисперсную систему, в которой одна часть компонентов находится в молекулярно-дисперсном состоянии, другая - в виде коллоидных частиц; третья - в виде крупных частиц, твердых, нерастворимых образований, на поверхности которых адсорбированы смолистые и другие вещества; а четвертая - представляет собой эмульсию воды и нефти, стабилизированную различными эмульгаторами [4].
Температурный фактор связующего оказывает влияние на условия обеспечения равномерного смешения наполнителя со связующим, а также на условия формования нагретой шихты.
Температура НШС способствует улучшению пластичности брикетов смеси в процессе прессования. Чем она пластичней, тем равномерней распределяется давление во всем объеме, эффективней происходит заполнение пустот
структурного каркаса брикетов объемным слоем связующего.
Анализируя физико-химические свойства АСПО, можно заранее предположить, что температура смешения с опилками должна лежать в интервале 50-70 оС, температура прессования - 35-45 оС.
Для данного НШС при Т = 40 оС не обеспечиваются благоприятные условия для смешения и формования шихты. Меньшие значения Ссж < 0,75 МПа Т < 4-0 оС (рис. 1г) (Р = 15 МПа, СсВ = 28 %, аср = 1,2-10-3 м) обусловлены отсутствием распределения связующего по объему прессуемой шихты. При Т > 40-70 оС значения ссж = 0,8 МПа стабилизируются.
Соответствующий характер изменения плотности (р) спрессованных брикетов от факторов: Р, Ссв, а и Т представлена на рисунке 2.
а) р, кг/м3
1 1 ---- 1
^т 1 1 1 1 1
1 1 1 1
Р, МПа
б) р, кг/м3
1
--*- 1
1 1
1 1
0,2 0,7 1,2 1,7 2,2
а, мм
3
в) р, кг/м
900
Ссв, %
г) р, кг/м 800
1 *-- 1 -
--- Т 1
1 1
1 1
Т, оС
Рис. 2 - Зависимость плотности спрессованных брикетов от: а - давления прессования при Ссв = 28 %, а = 1,210-3 м, Т = 46 оС; б - диаметра частиц наполнителя при Ссв = 28 %, Р = 15 МПа м, Т = 46оС; в - содержания связующего при Р = 15 МПа, а = 1,210-3 м, Т = 46 оС; г - температуры нагрева при Ссв = 28 %, а = 1,2 • 10-3 м, Р = 15 МПа
Для образования брикетов из опилок с НШС необходимо приложить усилия, которые создают
800
700
600
400
5
800
600
500
400
22
34
70
плотную упаковку отдельных частиц опилок, НШС - связующих комплексов и вторичных ассоциатов. Давление вызывает контактирование по адсорбционным слоям клеевой пленки и высокое внутреннее трение системы. При приложении к формируемым брикетам опилок с НШС процесс проходит несколько стадий (рис. 3).
Рис. 3 - Отдельные стадии уплотнения шихты при прессовании: а - начальная фаза прессования; б - контактирование по адсорбционным слоям пленки связующего; в -конечная фаза прессования
В момент соприкосновения разобщенных вторичных ассоциатов, связь между ними осуществляется исключительно за счет аутогезионных контактов по объемному слою связующего.
С увеличением значения Р, прочность спрессованных брикетов, как правило, возрастает.
При увеличении давления прессования от Р = 5 МПа до Р = 20 МПа (рис. 2а) и = 28 %, ^ = 1,2-10 м и Т = 46 оС, плотность брикетов возрастает с р = 600 кг/м3 до р = 740 кг/м3. Дальнейшее повышение давления прессования не приводит к повышению плотности спрессованных брикетов, что обусловлено препятствием жидкой фазы (НШС) уплотнению частиц наполнителя.
При исследовании влияния давления прессования на прочность брикетов использованы опилки фракций 0,2 < d < 2,0 мм. Температура смешивания опилок с НШС составляла 22-70 оС, массовая доля НШС в брикетах была 7-47 %, величина давления прессования изменялась от 5 до 25 МПа. В ходе экспериментов выяснено, что максимальная прочность для данной серии образцов соответствует составу, содержащему 28 % (масс) НШС и 72 % опилок.
Снижение плотности спрессованных брикетов при увеличении среднего диаметра частиц наполнителя (рис. 2б) и значениях Р = 15 МПа, Ссв = 28 %, Т = 46 оС обусловлено, по нашему мнению,
© С. В. Свергузова - д.т.н., професор, заведующий кафедрой Промышленной экологии Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова;, [email protected]; В. С. Севостьянов - д.т.н., профессор, заведующий кафедрой технологических комплексов, машин и механизмов, проректор того же вуза; И. Г. Шайхиев - д.т.н., заведующий кафедрой Инженерной экологии КНИТУ.
© S. V. Sverguzova - Professor, Head of the Department of Industrial Ecology Belgorod State Technological University of VG Shukhov name, [email protected]; V. S. Sevostyanov - Professor, Head of the Department of technological complexes, machines and mechanisms, vice-rector of the same university; I. G. Shaikhiev - Professor, Head of Department of Environmental Engineering, Kazan National Research Technological University.
менее благоприятными условиями упаковки более крупных частиц, dcp = 2,2-10-3 м (р = 700 кг/м3) чем мелких, dcp = 0,2-10-3 м (р = 780 кг/м3). Хотя, следует отметить, что снижение плотности спрессованных тел не очень существенно.
Более значительное повышение плотности спрессованных тел наблюдается при увеличении содержания нефтешламового связующего (рис. 3в). Так, при Р = 15 МПа, d^ = 1,2-10"3 м и Т = 46 оС при Ссв = 7 % плотность брикетов составляет р = 500 кг/м3, а при Ссв = 42 % - р = 820 кг/м3, т.е. плотность в указанном диапазоне увеличения содержания связующего Ссв возрастает более чем на 49 %. Этот факт свидетельствует о широкой возможности варьирования содержания нефтешламового связующего для получения спрессованных брикетов с различной плотностью и прочностью.
Изменение температуры нагрева НШС в диапазоне Т = 30-70 оС, как и в предыдущем случае (рис. 2г), при Т > 40 оС, существенно не влияет на плотность спрессованных брикетов.
В большой степени указанный параметр влияет на технологические условия подготовки шихты: равномерное смешение компонентов, подвижность смеси, ее адгезионную способность и другие показатели.
Таким образом, проведенные поисковые экспериментальные исследования позволили выявить наиболее значимые параметры, влияющие на технологические условия подготовки шихты и ее прессования, а также установить диапазон их варьирования: Р = (5-25) МПа; d = (0,2-2,2)-10-3 м; Ссв = 7-42 %; Т = 22-70 оС. В качестве выходных параметров спрессованных тел были приняты механическая прочность брикетов на сжатие (ссж, МПа) и их плотность (р, кг/м3).
Литература
1. С.В. Свергузова, Д.Д. Фетисов, ВестникБГТУ им. В.Г. Шухова, 4, 192-194 (2011).
2. А.М. Рябчиков, Вестник МГУ. Сер. 5. География, 2, 11-19 (1974).
3. О.И. Ручкинова. Дисс. докт. техн. наук, Пермский гос. технич. ун-т, 2004. 367 с.
4. С.Р. Сергиенко, Б.А. Таимова, Е.И. Таталаев. Высокомолекулярные неуглеводородные соединения нефти. Наука, Москва, 1959. 412 с.
а
Все статьи номера поступили в редакцию журнала в период с 10.07.15. по 10.09.15.
