Электронный научный журнал
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,791

УСТРОЙСТВО ПО ПЕРЕРАБОТКЕ НЕФТЕОТХОДОВ

Андреев В.В. 1 Дунцев А.В. 1 Тарасова Н.П. 1 Орехова Е.Е. 1 Утятников А.Е. 2
1 Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева
2 ООО «ЛУКОЙЛ - Волганефтепродукт»
В последнее время становятся актуальными вопросы энергосбережения и экологической безопасности при работе топливных энергетических установок. Особый интерес представляют водно-мазутные эмульсии (ВМЭ), дизельное топливо. ВМЭ имеют ряд преимуществ перед традиционным котельным топливом. В данной статье описывается новая установка, предназначенная для переработки нефтеотходов и получения жидкого котельного топлива, которое представляет собой смесь воды и мазута в определенных пропорциях. Приведены результаты исследования режимов работы предлагаемой установки и оценки содержания воды в предполагаемом топливе. Как известно, водно-мазутные смеси имеют свойство расслаиваться. Поэтому еще одной немаловажной задачей было нахождение оптимальных пропорций воды и нефтеотходов для получения наиболее стабильного топлива. Проводились эксперименты с различным содержанием воды в смеси. В результате исследований было выявлено, что смеси с 15-25%-ным содержанием воды наиболее быстро расслаиваются и достигают стабильного состояния.
экология
жидкое котельное топливо
эмульсии
мазут
нефтеотходы
1. Кормилицын В.И., Лысков М.Г., Румынский А.А. Комплексная экосовместимая технология сжигания водо-мазутной эмульсии и природного газа с добавкой сбросных вод // Теплоэнергетика. – 1996. - № 9. - С. 13-17.
2. Кормилицын В.И., Лысков М.Г., Румынский А.А. Влияние добавки влаги в топку на интенсивность лучистого теплообмена // Теплоэнергетика. - 1992. - № 1. - С. 41-44.
3. Кормилицын В.И., Лысков М.Г., Румынский А.А. Подготовка мазута к сжиганию для улучшения технико-экономических и экологических характеристик котельных установок // Новости теплоснабжения. – 2000. - № 4. - С. 19-21.
4. Устройство для переработки нефтеотходов: патент на полезную модель. Рег. № 125189 от 27.02.2013 г.
5. Дезинтегратор для переработки нефтесодержащих отходов : патент на полезную модель. Рег. № 125893 от 20.03.2013 г.
6. Устройство для переработки нефтеотходов: патент на изобретение. Рег. № 2497934 от 10.11.2013 г.

В настоящее время актуальны задачи энергосбережения и экологической безопасности при работе энергетических топливных установок. Для решения этих задач особый интерес представляют топливные эмульсии мазут-вода. Использование гомогенизированной водно-мазутной смеси позволяет повысить коэффициент сжигания топлива, сэкономить мазут и уменьшить вредные выбросы в атмосферу [1; 2].

При наличии в капле топлива более мелких включений воды, при нагревании и вскипании воды образуется водяной пар, который разрывает каплю топлива, увеличивая дисперсность подаваемого в топку топлива и поверхность контакта топлива с воздухом. В результате топливо более равномерно заполняет топочную камеру, что приводит к выравниванию температуры в топке и снижению локальных максимальных температур. При этом существенно снижается недожог топлива; появляется возможность снизить количество вдуваемого воздуха и уменьшить связанные с ним теплопотери. Часть капель долетают до стенок и взрываются на них, что способствует не только предотвращению отложений, но и очистке от старых сажистых образований.

При сжигании водно-топливных эмульсий (ВТЭ) сокращается выход в газовых выбросах NOх (примерно на 90%), примерно в 3-4 раза снижаются сажистые отложения, примерно на 70% уменьшается выход СО [3].

Цель работы

Целями работы являлись разработка установки для смешения обводненных нефтесодержащих отходов, исследование режимов ее работы и полученных ВТЭ на стабильность и применимость в качестве печного топлива.

Решение поставленной задачи

На кафедре «Ядерные реакторы и энергетические установки» Института ядерной энергетики и технической физики НГТУ им. Р.Е. Алексеева была создана экспериментальная установка для получения жидкого котельного топлива на основе обводненных нефтесодержащих отходов, защищенная патентом [4-6].

Схема устройства представлена на рисунке 1.

Рис. 1. Принципиальная схема устройства по переработке нефтеотходов:

АК - аппарат кавитационный, НВ – насос вихревой, БПС – бак подготовки смеси, НШ – насос шестеренный, Р – манометр.

Устройство по переработке отходов работает следующим образом.

Исходное сырье и вода поступают в узел подготовки сырьевой смеси и затем через регулятор поддержания постоянства расхода сырьевой смеси на всасывающий патрубок вихревого насоса. Интенсивное вихреобразование в рабочем объеме вихревого насоса обеспечивает дробление сырьевой смеси. На дополнительное диспергирование смесь поступает через напорный патрубок и далее через регулятор в струйный кавитационный аппарат. Полученная эмульсия поступает в резервуар готовой смеси. Нормальная работа устройства обеспечивается регулятором поддержания постоянства расхода сырьевой смеси. Установка оснащена электрообогревателем для обеспечения необходимой температуры мазута во избежание его остывания и затвердевания. В связи с необходимостью поддержания температуры мазута работы на данной установке рекомендуется проводить в обогреваемом помещении, при температуре в помещении не ниже 5 °С. Стенд состоит из двух контуров для циркуляции среды. Малый контур предназначен для предварительного перемешивания исследуемой среды и достижения температурного режима [3].

Проводились испытания представленной установки по смешению воды с модельной жидкостью. Модельная жидкость представляет собой машинное масло, при определенных условиях имеющее такую же плотность, что и мазут. На рисунке 2 представлена зависимость плотности мазута и машинного масла от температуры.

Рис. 2. Зависимость плотности мазута и машинного масла от температуры.

Из представленной зависимости можно видеть, что вязкости модельных жидкостей (машинных масел) и мазутов, используемых в промышленности, при определенных температурах имеют одинаковые значения. При этих параметрах и проводились исследования по смешению разноплотностных жидкостей.

Исследования проводились по каждому из контуров в отдельности и со всеми контурами одновременно по следующей схеме: в определенных пропорциях смешивались исследуемая жидкость и вода, полученная смесь определенное время циркулировала по рассматриваемому контуру, после чего брались пробы полученной смеси и через равные промежутки времени пробы фотографировались. В результате исследования полученных фотографий были сделаны выводы о расслоении полученных проб и в итоге о стабильности полученных смесей. Также полученные пробы рассматривались под микроскопом с целью изучения размеров капель воды в смеси. В результате изучения размеров капель жидкости в смеси делались выводы об эффективности каждого из контуров и о возможности их использовании для подготовки жидкого котельного топлива из нефтеотходов. Эксперименты проводились с 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50% содержания воды. Время циркуляции по контуру 5 минут.

На рисунке 3 представлена зависимость высоты столба масла от времени с вышеуказанными содержаниями воды.

Рис. 3. Зависимость высоты столба масла от времени.

Из рисунка 3 можно сделать вывод, что при 20-25% смесь имеет наибольшую скорость расслоения в течение 120 ч, после 120 ч приращение столба масла достигает своего минимального значения по сравнению с другими исследуемыми концентрациями воды. Замедление расслоения при указанных концентрациях воды указывает на выход смеси в стабильное состояние и означает почти полное прекращение дальнейшего расслоения, чего не наблюдается при других рассматриваемых концентрациях воды. При 5-10% замедление скорости расслоения не означает достижения стабильного состояния, расслоение продолжается при медленных скоростях, а при содержании 30% и более воды время достижения стабильного состояния не зафиксировано, в течении всего времени наблюдения расслоение длится при небольших скоростях.

Ниже представлены результаты по изучению размеров капель воды в масле при 5%- и 10%-ном содержании воды при циркулировании по первому, второму и обоим контурам.

 а)

  б)

в)

Рис. 4. Размеры капель воды в масле при содержании воды 5%: а) первый контур (шестеренный насос), б) второй контур (два насоса без кавитатора), в) третий контур (два насоса с кавитатором).

При использовании для перемешивания смеси только шестеренного насоса перемешивание масла и воды практически отсутствует. Масло и вода циркулируют отдельными потоками, перемешивание носит случайный характер. На фотографии показана одна-единственная капля воды, случайно попавшая в объектив микроскопа при исследовании взятой пробы.

а)

б)

в)

Рис. 5. Размеры капель воды в масле при содержании воды 10%: а) первый контур (шестеренный насос), б) второй контур (два насоса без кавитатора), в) третий контур (два насоса с кавитатором).

Можно заметить, что при циркулировании смеси по полному контуру с 10%-ным содержанием воды включения воды в смеси имеют гораздо меньший размер, чем при циркулировании по другим рассматриваемым контурам. Кроме того, при 10%-ном содержании воды плотность капель воды в смеси выше, чем при 5%-ном. Можно предположить, что при 15-25% воды размеры капель будут удовлетворять требуемым для ВМЭ, а плотность капель будет еще выше. Следовательно, дисперсность капель топлива в топке будет увеличиваться и еще лучше будут выражены эффекты, перечисленные в начале статьи.

Вывод

Разработано и создано оригинальное новое устройство для создания жидкого котельного топлива из отходов нефтепродуктов. Котельное топливо получается в результате смешивания с водой отходов производства нефтяной промышленности. Устройство исследовано на модельных жидкостях. В качестве модельной жидкости принималось масло с вязкостью мазута. Смесь «модельная жидкость – вода» проверена на расслаивание. Установлено что при 15-25% воды процесс расслоения смеси имеет максимальную скорость, после достижения этого максимума скорость постепенно снижается и процесс расслоения затухает, смесь становится стабильной. При содержании воды более 30% стабильное состояние смеси не зафиксировано, на протяжении всего времени проведения эксперимента расслаивание продолжалось с небольшими скоростями. Таким образом, ярко выраженное стабильное состояние топлива возможно только при 15-25% содержания воды. При любых других концентрациях воды за то же время отстаивания топливо будет не стабильным.

В результате исследований установлено, что наилучшее смешение модельной жидкости и воды достигается при прохождении смеси через полный контур циркуляции, включающий в себя все единицы оборудования, входящие в состав установки. Размеры включений воды в среднем составляют 10-13 мкм при том условии, что допустимые значения включений воды в водно-мазутном топливе составляют 15 мкм.

Рецензенты:

Беляков В.В., д.т.н., профессор, начальник УНИР и ИР, ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный университет им. Р.Е. Алексеева», г.Н.Новгород;

Радионов А.А., д.т.н., профессор, зав. кафедрой «Кафедра общей и ядерной физики», ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный университет им. Р.Е. Алексеева», г.Н.Новгород.


Библиографическая ссылка

Андреев В.В., Дунцев А.В., Тарасова Н.П., Орехова Е.Е., Утятников А.Е. УСТРОЙСТВО ПО ПЕРЕРАБОТКЕ НЕФТЕОТХОДОВ // Современные проблемы науки и образования. – 2014. – № 5.;
URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=15097 (дата обращения: 13.12.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074